Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Molekulare Saiten zum Schwingen gebracht und neu gestimmt

15.12.2015

Am Heidelberger MPI für Kernphysik ist Forschern in Zusammenarbeit mit der Universität Heidelberg erstmals die intensitätsabhängige Steuerung angeregter Zustände in gelösten Farbstoffmolekülen mittels Einstrahlung starker gepulster Laserfelder gelungen. Dabei lässt sich der zeitliche Verlauf der Antwort der beteiligten Elektronen auf die Anregung in einem ultrakurzen Laserpuls durch einen zeitlich dazu versetzten zweiten Lichtblitz kontrolliert verändern. Damit wurde gezeigt, dass die für den einfacheren Fall freier Atome bereits erfolgreiche Methode sich zur Steuerung des Absorptionsverhaltens von Licht auf komplexe Systeme in einem flüssigen Medium verallgemeinern lässt. [PNAS, 8.12.2015]

Jeder Klavierstimmer kennt das Problem: pro Ton gibt es bis zu drei Saiten, die auf genau die gleiche Tonhöhe gestimmt sein müssen, um einen reinen Klang zu erhalten. Verstimmungen machen sich durch für unser Gehör unangenehm klingende Überlagerungen leicht verschiedener Schwingungsfrequenzen bemerkbar.


Abb. 1: Absorptionssignal (l.) und Dipolantwort der Elektronenwolke (r.) für eine isolierte Resonanz in einem Atom (o.) und für mehrere Resonanzen in einem Molekül (u.).

Grafik: MPIK


Abb. 2: (a) Gemessenes Absorptionssignal des Farbstoffmoleküls IR144 als Funktion der Anregungsfrequenz und der Kontrollpuls-Intensität im Vergleich mit der theoretischen Modellierung (b).

Grafik: MPIK

Ähnlich verhalten sich die negativ geladenen Elektronenwolken in Atomen und Molekülen, die gegenüber den positiven Atomkernen hin und her schwingen können. Die Anregung erfolgt durch Licht als elektromagnetische Welle besonders stark dann, wenn die Lichtfrequenz einer dem atomaren System eigenen Schwingungsfrequenz entspricht, also Resonanz vorliegt.

Im obigen Bild entspricht dies bei einem Atom einem bestimmten Ton auf dem Klavier mit nur einer Saite. Bei einem Molekül können aber die einzelnen Atome gegeneinander schwingen und das ganze Molekül rotieren.

Statt einer hat man nun mehrere Saiten mit leicht verschiedener Eigenfrequenz. Diese lassen sich zwar nicht aufeinander abstimmen, da sie durch die Eigenschaften des Moleküls festgelegt sind, wohl aber kann die gegenseitige Überlagerung, also gleichsam die Klangfarbe des verstimmten Tons beeinflusst werden:

Schwingungen und Wellen sind nämlich neben ihrer Frequenz und Amplitude durch ihren zeitlichen Verlauf bezüglich eines vorgegebenen Zeitpunkts bestimmt – die sogenannte Phase. Diese wird in der Regel nicht direkt beobachtet, aber bei der Überlagerung mehrerer Schwingungen (Interferenz) sind Phasendifferenzen von entscheidender Bedeutung.

In früheren Arbeiten hat die Gruppe um Thomas Pfeifer am Heidelberger Max-Planck-Institut für Kernphysik (MPIK) in Heidelberg erfolgreich die Manipulation des zeitlichen Verlaufs einer Elektronenschwingung in einem Atom demonstriert. In Abhängigkeit von der Frequenz des Lasers ergibt sich für die Wahrscheinlichkeit der Schwingungsanregung, also die Stärke der Lichtabsorption, ein charakteristischer Verlauf um die Resonanz.

Dieser kann – je nach Phasenverschiebung der Elektronenschwingung – ein asymmetrisches, so genanntes Fano-Profil zeigen, das auch negative Ausschläge haben kann (Abb. 1 oben). Im Fall von Atomen können die einzelnen Resonanzen meist als voneinander unabhängig betrachtet werden. In Molekülen hingegen liegen sie dicht beieinander, so dass sie überlappen und prinzipiell nicht trennbar sind.

Die theoretische Beschreibung lässt sich aber verallgemeinern, nur dass jetzt die Gesamtheit aller überlappenden Resonanzen betrachtet werden muss. Beispielhaft ist in Abb. 1 das Verhalten von vier Resonanzen gezeigt: Deren individuelle Antworten auf die Laseranregung müssen unter Beachtung ihrer zeitlichen Verläufe und Einbeziehung der Phasenverschiebungen überlagert werden, um die Gesamtantwort zu berechnen.

Diese kann durchaus eine komplizierte Form mit zusätzlichen Strukturen (Maxima/Minima) aufweisen. Zur Manipulation der Phasen verwenden die Wissenschaftler wie im atomaren Fall einen zweiten Kontroll-Laserpuls, der zeitlich versetzt zum anregenden Laserpuls eingestrahlt wird. Die Kontrolle erfolgt über die Intensität dieses Pulses und die zeitliche Verschiebung.

Dabei kann zusätzlich ausgenutzt werden, dass nicht alle dicht beieinander liegenden Resonanzen gleich stark durch das Laserfeld als „Phasenschieber“ beeinflusst werden, was eine Adressierung bestimmter elektronischer Zustände erlauben könnte.

Zur experimentellen Untersuchung hat die Forschergruppe um Dr. Kristina Meyer mit Unterstützung der Gruppe von Prof. Marcus Motzkus (Universität Heidelberg) einen ähnlichen Aufbau wie in den vorigen Arbeiten verwendet. Sie teilen hierzu einen ultrakurz gepulsten Laserstrahl von 7 Femtosekunden (1 Femtosekunde = 10-15 s) Pulsdauer in zwei Teilstrahlen mit variablem Intensitätsverhältnis und variabler gegenseitiger Verzögerung auf, fokussieren diese auf die Probe und messen die Lichtabsorption.

Als Probe diente das Farbstoffmolekül IR144, gelöst in Methanol. Erstmals haben sie hier bei einem in flüssiger Lösung befindlichen Molekül die Phase von angeregten Zuständen in einem starken Laserfeld als Funktion von dessen Intensität durchgestimmt. „Dies ist von entscheidender Bedeutung, da chemische Reaktionen, deren gezielte Beeinflussung man sich erhofft, in der Regel in Lösungen, d. h. in einem flüssigen Medium, ablaufen“, erläutert Kristina Meyer.

Die gemessenen Absorptionsspektren als Funktion der Intensität des Kontrollpulses zeigen deutlich den Einfluss des Kontrollpulses (Abb. 2a): Das Absorptionsmaximum verschiebt sich zu höheren Frequenzen und es tritt ein zusätzliches Minimum auf. Zum Vergleich hat Kristina Meyer mit Unterstützung der Theoriegruppe von Prof. Andreas Dreuw (Universität Heidelberg) eine theoretische Modellierung vorgenommen (Abb. 2b). Hierzu hat sie vereinfacht 22 Resonanzen in gleichem gegenseitigem Abstand und gleicher Breite betrachtet, von denen vier signifikant an das Laserfeld koppeln. Trotz dieser Vereinfachung werden die Messungen durch die Rechnung gut wiedergegeben.

Mit dem neuen Experiment am Beispiel eines Farbstoffmoleküls konnten die Heidelberger Forscher zeigen, dass zeitaufgelöste Phasenkontrolle auf komplexe Systeme verallgemeinert werden kann und nun auf eine Vielzahl von Systemen anwendbar ist: von einzelnen Atomen im gasförmigen Zustand bis hin zu größeren Molekülen in ihrer „natürlichen“ Umgebung wie z. B. wässrigen Lösungen. Dies eröffnet neue Wege in die "Laserchemie", der Steuerung chemischer Reaktionen mit starken Laserfeldern.

Originalpublikation:

Signatures and control of strong-field dynamics in a complex system
Kristina Meyer, Zuoye Liu, Niklas Müller, Jan-Michael Mewes, Andreas Dreuw, Tiago Buckup, Marcus Motzkus and Thomas Pfeifer
Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, Vorabpublikation online 8. Dezember 2015; DOI: 10.1073/pnas.1509201112

Kontakt:

Dr. Kristina Meyer
MPI für Kernphysik
E-Mail: kristina.meyer@mpi-hd.mpg.de
Tel.: +49 6221 516-332

Prof. Dr. Thomas Pfeifer
MPI für Kernphysik
E-Mail: thomas.pfeifer@mpi-hd.mpg.de
Tel.: +49 6221 516-380

Weitere Informationen:

http://www.mpi-hd.mpg.de/mpi/pfeifer/qdc-interatto/ Seite der Gruppe INTERATTO am MPIK
http://www.mpi-hd.mpg.de/mpi/aktuelles/meldung/detail/ein-phasenschieber-fuer-at... „Ein Phasenschieber für Atome“
http://www.mpg.de/7243965/absorption_linienform_fano_lorentz „Die Spur der Zeit im optischen Spektrum“

Dr. Bernold Feuerstein | Max-Planck-Institut für Kernphysik

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Klein bestimmt über groß?
29.03.2017 | Max-Planck-Institut für Dynamik und Selbstorganisation

nachricht Quantenkommunikation: Wie man das Rauschen überlistet
29.03.2017 | Technische Universität Wien

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: Quantenkommunikation: Wie man das Rauschen überlistet

Wie kann man Quanteninformation zuverlässig übertragen, wenn man in der Verbindungsleitung mit störendem Rauschen zu kämpfen hat? Uni Innsbruck und TU Wien präsentieren neue Lösungen.

Wir kommunizieren heute mit Hilfe von Funksignalen, wir schicken elektrische Impulse durch lange Leitungen – doch das könnte sich bald ändern. Derzeit wird...

Im Focus: Entwicklung miniaturisierter Lichtmikroskope - „ChipScope“ will ins Innere lebender Zellen blicken

Das Institut für Halbleitertechnik und das Institut für Physikalische und Theoretische Chemie, beide Mitglieder des Laboratory for Emerging Nanometrology (LENA), der Technischen Universität Braunschweig, sind Partner des kürzlich gestarteten EU-Forschungsprojektes ChipScope. Ziel ist es, ein neues, extrem kleines Lichtmikroskop zu entwickeln. Damit soll das Innere lebender Zellen in Echtzeit beobachtet werden können. Sieben Institute in fünf europäischen Ländern beteiligen sich über die nächsten vier Jahre an diesem technologisch anspruchsvollen Projekt.

Die zukünftigen Einsatzmöglichkeiten des neu zu entwickelnden und nur wenige Millimeter großen Mikroskops sind äußerst vielfältig. Die Projektpartner haben...

Im Focus: A Challenging European Research Project to Develop New Tiny Microscopes

The Institute of Semiconductor Technology and the Institute of Physical and Theoretical Chemistry, both members of the Laboratory for Emerging Nanometrology (LENA), at Technische Universität Braunschweig are partners in a new European research project entitled ChipScope, which aims to develop a completely new and extremely small optical microscope capable of observing the interior of living cells in real time. A consortium of 7 partners from 5 countries will tackle this issue with very ambitious objectives during a four-year research program.

To demonstrate the usefulness of this new scientific tool, at the end of the project the developed chip-sized microscope will be used to observe in real-time...

Im Focus: Das anwachsende Ende der Ordnung

Physiker aus Konstanz weisen sogenannte Mermin-Wagner-Fluktuationen experimentell nach

Ein Kristall besteht aus perfekt angeordneten Teilchen, aus einer lückenlos symmetrischen Atomstruktur – dies besagt die klassische Definition aus der Physik....

Im Focus: Wegweisende Erkenntnisse für die Biomedizin: NAD⁺ hilft bei Reparatur geschädigter Erbinformationen

Eine internationale Forschergruppe mit dem Bayreuther Biochemiker Prof. Dr. Clemens Steegborn präsentiert in 'Science' neue, für die Biomedizin wegweisende Forschungsergebnisse zur Rolle des Moleküls NAD⁺ bei der Korrektur von Schäden am Erbgut.

Die Zellen von Menschen und Tieren können Schäden an der DNA, dem Träger der Erbinformation, bis zu einem gewissen Umfang selbst reparieren. Diese Fähigkeit...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Industriearbeitskreis »Prozesskontrolle in der Lasermaterialbearbeitung ICPC« lädt nach Aachen ein

28.03.2017 | Veranstaltungen

Neue Methoden für zuverlässige Mikroelektronik: Internationale Experten treffen sich in Halle

28.03.2017 | Veranstaltungen

Wie Menschen wachsen

27.03.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Organisch-anorganische Heterostrukturen mit programmierbaren elektronischen Eigenschaften

29.03.2017 | Energie und Elektrotechnik

Klein bestimmt über groß?

29.03.2017 | Physik Astronomie

OLED-Produktionsanlage aus einer Hand

29.03.2017 | Messenachrichten