Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Ein Blick ins Innere von Molekülen

10.06.2010
Einem europäischen Forscher-Team ist es erstmals gelungen, Attosekunden-Laserpulse zur Beobachtung von Elektronen in Molekülen zu verwenden. Das berichtet das Fachblatt Nature in seiner Ausgabe vom 10.Juni 2010.

Um eine chemische Reaktion nicht nur beobachten, sondern wirklich verstehen zu können, müssen Wissenschaftler das Verhalten der Elektronen innerhalb von Molekülen kennen. Bislang war es technisch nicht möglich, Elektronen zu beobachten, weil sie sich unvorstellbar schnell bewegen. Nun ist dies einer Gruppe von europäischen Forschern mithilfe von Attosekunden-Laserpulsen gelungen.

Eine Attosekunde ist ein milliardstel einer milliardstel Sekunde. In einer Attosekunde legt Licht weniger als ein millionstel Millimeter zurück – das ist gerade mal der Weg von einem Ende eines kleineren Moleküls zum anderen. Zum Vergleich: In einer Sekunde kann Licht unseren Globus achtmal umrunden. Und genau darum betreiben die Physiker den immensen Aufwand, solche kurzen Laserblitze zu erzeugen: Sie können damit die Bewegung der Elektronen innerhalb eines Moleküls wie in einer Fotoserie „fotografieren“.

In dem europäischen Forscher-Team arbeitete Prof. Marc Vrakking, Direktor am Max-Born-Institut für Nichtlineare Optik und Kurzzeitspektroskopie (MBI) in Berlin, zusammen mit Gruppen u.a. aus Mailand, Amsterdam, Lund (Schweden), Lyon und Madrid. Mit dabei sind auch Wissenschaftler um Dr. Matthias Kling vom Max-Planck-Institut für Quantenoptik in Garching bei München.

Die Physiker haben zunächst das Wasserstoffmolekül (H2) untersucht – es ist das am einfachsten aufgebaute Molekül mit zwei Protonen und zwei Elektronen. Die Forscher wollten herausfinden, wie genau die Ionisation in einem Wasserstoffmolekül abläuft, bei der ein Elektron aus dem Molekül entfernt wird, und wie sich das verbliebene Elektron innerhalb des Moleküls hinterher neu anordnet. Marc Vrakking erklärt: „Wir konnten in unserem Experiment erstmals zeigen, dass wir mit einem Attosekunden-Laser tatsächlich in der Lage sind, die Bewegung von Elektronen im Molekül zu beobachten. Unser Experiment kann man sich so vorstellen: Zunächst haben wir ein Wasserstoffmolekül mit einem Attosekunden-Laserpuls bestrahlt. Dadurch wird ein Elektron aus dem Molekül herausgelöst – das Molekül wird ionisiert. Gleichzeitig haben wir das Molekül mit einem Infrarot-Laserstrahl in zwei Teile geteilt, wie mit einer winzigen Schere. Nun haben wir uns angesehen, wie sich die Ladung auf die zwei Fragmente verteilt – weil ein Elektron fehlt, ist nun ein Teil neutral und ein Teil positiv geladen. Damit wussten wir, wo sich das verbliebene Elektron befand, nämlich im neutralen Teil.“

Schon seit den 1980er Jahren untersuchen Wissenschaftler Moleküle und Atome mithilfe von Femtosekunden-Lasern – eine Femtosekunde ist ein millionstel einer milliardstel Sekunde, also um das tausendfache „langsamer“ als eine Attosekunde. Damit lassen sich Bewegungen von Atomen und Molekülen nachverfolgen, aber kaum die von Elektronen. 2001 gelang es Forschern erstmals, einen Laserblitz mit einer Länge von 250 Attosekunden zu erzeugen. Zunächst stand die technische Entwicklung der Attosekunden-Laser im Vordergrund sowie deren gezielte Steuerung und Messung. Erst allmählich beginnen Wissenschaftler, sie für naturwissenschaftliche Fragestellungen einzusetzen.

Obwohl die Experimente des europäischen Teams mit Attosekunden-Lasern die erhofften Ergebnisse brachten, gab es für die Wissenschaftler eine Überraschung: Um ihre Messungen noch besser interpretieren zu können, bezogen sie eine Gruppe von Theoretikern von der Universität Madrid in das Projekt ein. Die Arbeit der Spanier brachte völlig neue Erkenntnisse. Dr. Felipe Morales aus Madrid, der mittlerweile am MBI arbeitet, berichtet: „Wir sind mit unseren Rechnerkapazitäten fast an die Grenzen gestoßen, eineinhalb Millionen Stunden Computerrechenzeit haben wir aufgewendet.“ Diese Berechnungen zeigten, dass die Komplexität der Fragestellung weitaus größer ist, als vorher angenommen. „Es hat sich herausgestellt, dass auch doppelt angeregte Zustände, d.h. mit einer Anregung beider Elektronen des Wasserstoffmoleküls, eine wichtige Rolle spielen“, erläutert Matthias Kling. Marc Vrakking beschreibt es so: „Wir haben das Problem nicht gelöst, wie wir zunächst dachten, wir haben lediglich eine Tür geöffnet. Aber das macht das ganze Projekt eigentlich noch viel wichtiger und interessanter.“

Originalveröffentlichung:

G. Sansone, F. Kelkensberg, J. F. Pérez-Torres, F Morales, M.F. Kling, W. Siu,
O.Ghafur, P. Johnsson, M. Swoboda5, E. Benedetti, F. Ferrari, F. Lépine, J. L.
Sanz-Vicario, S. Zherebtso, I. Znakovskaya, A. L’Huillier5, M. Yu. Ivano, M.
Nisoli1, F. Martín, M.J.J. Vrakking
Electron localization following attosecond molecular photoionization
Nature, DOI 10.1038/nature09084
Kontakt
Prof. Dr. Marc Vrakking
Max-Born-Institut für Nichtlineare Optik und Kurzzeitspektroskopie
Tel.: +49 30 6392-1200
Fax: +49 30 6392-1209
E-Mail: vrakking@mbi-berlin.de
Dr. Matthias Kling
Max-Planck-Institut für Quantenoptik, Garching
Junior Research Group „Attosecond Imaging“
Tel.: +49 89 32905-234
Fax: +49 89 32905-649
E-Mail: matthias.klingmpq.mpg.de

Gesine Wiemer | Forschungsverbund Berlin e.V.
Weitere Informationen:
http://www.mbi-berlin.de
http://www.fv-berlin.de/pm_archiv/2010/Foto/nature2.jpg
http://www.attoworld.de

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Raumschrott im Fokus
22.05.2018 | Universität Bern

nachricht Countdown für Kilogramm, Kelvin und Co.
18.05.2018 | Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB)

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Physik Astronomie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Bose-Einstein-Kondensat im Riesenatom - Universität Stuttgart untersucht exotisches Quantenobjekt

Passt eine ultrakalte Wolke aus zehntausenden Rubidium-Atomen in ein einzelnes Riesenatom? Forscherinnen und Forschern am 5. Physikalischen Institut der Universität Stuttgart ist dies erstmals gelungen. Sie zeigten einen ganz neuen Ansatz, die Wechselwirkung von geladenen Kernen mit neutralen Atomen bei weitaus niedrigeren Temperaturen zu untersuchen, als es bisher möglich war. Dies könnte einen wichtigen Schritt darstellen, um in Zukunft quantenmechanische Effekte in der Atom-Ion Wechselwirkung zu studieren. Das renommierte Fachjournal Physical Review Letters und das populärwissenschaftliche Begleitjournal Physics berichteten darüber.*)

In dem Experiment regten die Forscherinnen und Forscher ein Elektron eines einzelnen Atoms in einem Bose-Einstein-Kondensat mit Laserstrahlen in einen riesigen...

Im Focus: Algorithmen für die Leberchirurgie – weltweit sicherer operieren

Die Leber durchlaufen vier komplex verwobene Gefäßsysteme. Die chirurgische Entfernung von Tumoren ist daher oft eine schwierige Aufgabe. Das Fraunhofer-Institut für Bildgestützte Medizin MEVIS hat Algorithmen entwickelt, die die Bilddaten von Patienten analysieren und chirurgische Risiken berechnen. Leberkrebsoperationen werden damit besser planbar und sicherer.

Jährlich erkranken weltweit 750.000 Menschen neu an Leberkrebs, viele weitere entwickeln Lebermetastasen aufgrund anderer Krebserkrankungen. Ein chirurgischer...

Im Focus: Positronen leuchten besser

Leuchtstoffe werden schon lange benutzt, im Alltag zum Beispiel im Bildschirm von Fernsehgeräten oder in PC-Monitoren, in der Wissenschaft zum Untersuchen von Plasmen, Teilchen- oder Antiteilchenstrahlen. Gleich ob Teilchen oder Antiteilchen – treffen sie auf einen Leuchtstoff auf, regen sie ihn zum Lumineszieren an. Unbekannt war jedoch bisher, dass die Lichtausbeute mit Elektronen wesentlich niedriger ist als mit Positronen, ihren Antiteilchen. Dies hat Dr. Eve Stenson im Max-Planck-Institut für Plasmaphysik (IPP) in Garching und Greifswald jetzt beim Vorbereiten von Experimenten mit Materie-Antimaterie-Plasmen entdeckt.

„Wäre Antimaterie nicht so schwierig herzustellen, könnte man auf eine Ära hochleuchtender Niederspannungs-Displays hoffen, in der die Leuchtschirme nicht von...

Im Focus: Erklärung für rätselhafte Quantenoszillationen gefunden

Sogenannte Quanten-Vielteilchen-„Scars“ lassen Quantensysteme länger außerhalb des Gleichgewichtszustandes verweilen. Studie wurde in Nature Physics veröffentlicht

Forschern der Harvard Universität und des MIT war es vor kurzem gelungen, eine Rekordzahl von 53 Atomen einzufangen und ihren Quantenzustand einzeln zu...

Im Focus: Explanation for puzzling quantum oscillations has been found

So-called quantum many-body scars allow quantum systems to stay out of equilibrium much longer, explaining experiment | Study published in Nature Physics

Recently, researchers from Harvard and MIT succeeded in trapping a record 53 atoms and individually controlling their quantum state, realizing what is called a...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

48V im Fokus!

21.05.2018 | Veranstaltungen

„Data Science“ – Theorie und Anwendung: Internationale Tagung unter Leitung der Uni Paderborn

18.05.2018 | Veranstaltungen

Visual-Computing an Bord der MS Wissenschaft

17.05.2018 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

48V im Fokus!

21.05.2018 | Veranstaltungsnachrichten

Bose-Einstein-Kondensat im Riesenatom - Universität Stuttgart untersucht exotisches Quantenobjekt

18.05.2018 | Physik Astronomie

Countdown für Kilogramm, Kelvin und Co.

18.05.2018 | Physik Astronomie

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics