Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Aus dem Schwarm gepickt: Lichtblitze kontrollieren einzelne Elektronen in Molekülen

01.09.2009
Einem deutsch-niederländischen Physikerteam des Max-Planck-Instituts für Quantenoptik (MPQ) in Garching, dem Institute for Atomic and Molecular Physics (AMOLF) in Amsterdam und Chemikern der Ludwig-Maximilians-Universität (LMU) München ist es erstmals gelungen, einzelne Elektronen in einem Vielteilchensystem mithilfe von Laserpulsen zu kontrollieren.

Raubfischen ist das Problem wohlbekannt: In einem Schwarm von kleinen Fischen ist es schwierig eine Beute herauszulösen. Ähnlich verhält es sich im Kosmos von Atomen und Molekülen, deren Verhalten und Eigenschaften von "Schwärmen" von Elektronen beeinflusst werden.

Will man hier Kontrolle über einzelne Elektronen in einem Verbund erlangen, benötigt man ultrakurze Lichtpulse von wenigen Femtosekunden Dauer. Physiker des MPQ in Garching und Chemiker der LMU erlangten nun zum ersten Mal die Kontrolle über einzelne, negativ geladene Elementarteilchen in einem Elektronenverbund mithilfe von Licht.

Die Forscher haben damit ein wichtiges Etappenziel erreicht, das sie sich im Exzellenzcluster "Munich Centre for Advanced Photonics" (MAP) gesetzt haben. Sie berichten darüber im Fachmagazin "Physical Review Letters" (Online-Ausgabe: EID 103/103002, 1. September 2009; Print-Ausgabe: 4. September 2009).

Elektronen sind ultraschnelle Zeitgenossen. In Atomen und Molekülen bewegen sie sich innerhalb von Attosekunden. Eine Attosekunde dauert dabei nur ein Milliardstel einer milliardstel Sekunde. Eine gezielte Kontrolle über diese Teilchen kann man mit Lichtpulsen erlangen, die nur wenige Femtosekunden bis hin zu Attosekunden dauern und somit mit ihnen auf der Zeitskala der Elektronenbewegung wechselwirken. Die kurzen Pulse verfügen über starke elektrische und magnetische Felder, die die geladenen Teilchen beeinflussen. Eine Femtosekunde dauert dabei 1000mal länger als eine Attosekunde. Bei Molekülen mit nur einem Elektron, wie etwa beim Deuterium-Molekül-Ion, gestaltet sich diese Kontrolle durch die Lichtblitze noch relativ leicht. Das hat ein Team um Professor Marc Vrakking und Dr. Matthias Kling am AMOLF in Amsterdam in Zusammenarbeit mit Professor Ferenc Krausz (LMU und MPQ) bereits im Jahr 2006 gezeigt.

Nun ist es den Wissenschaftlern um den MPQ-Nachwuchsgruppenleiter Dr. Matthias Kling, in Zusammenarbeit mit Professor Marc Vrakking und Professor Regina de Vivie-Riedle von der LMU gelungen, die äußeren Elektronen in der Valenzschale des komplexeren Moleküls Kohlenstoffmonoxid (CO) mithilfe starker elektrischer Felder von Laserpulsen zu steuern und zu beobachten. Das Molekül Kohlenstoffmonoxid verfügt über 14 Elektronen. Mit zunehmender Anzahl von Elektronen in einem Molekül wird die Kontrolle über einzelne Elektronen erschwert, da ihre möglichen Energiezustände sehr dicht liegen.

Die Wissenschaftler verwendeten für ihre Versuche Laserpulse im nahen Infrarotbereich (740 nm) und von vier Femtosekunden Dauer. Die Kontrolle wurde experimentell über die asymmetrische Verteilung von C+ bzw. O+ Fragmenten nach dem Aufbrechen der Bindung nachgewiesen. Die Messung von C+ und O+ Fragmenten bedeutet eine dynamische Ladungsverschiebung entlang der Molekülachse in die eine bzw. andere Richtung, gesteuert durch den Laserpuls.

Sobald der Femtosekunden-Laserpuls mit den CO-Molekülen wechselwirkte, löste er ein Elektron aus dem Verbund heraus. Anschließend kollidierte das Elektron wieder mit dem Ion und gab dabei seine Energie ab. Der gesamte Vorgang dauerte etwa 1,7 Femtosekunden. "Bei der Rekollision wurde ein elektronisches Wellenpaket erzeugt, das nun eine gerichtete Bewegung der Elektronen entlang der Molekülachse induziert", berichtet Regina de Vivie-Riedle. "Durch die Anregung und die Wechselwirkung mit dem Rest des intensiven Laserpulses wird diese Elektronenbewegung an die Kernbewegung gekoppelt und liefert einen Beitrag zur beobachteten Asymmetrie", erklärt Matthias Kling.

Bei ihren Experimenten konnten die Physiker zudem die Elektronenstruktur und Form der äußersten zwei Orbitale des Kohlenstoffmonoxids durch die Ionisation mit den Lichtpulsen abbilden. Die extreme Kürze der Femtosekunden-Laserpulse ermöglichte es den Wissenschaftlern, die Vorgänge in den äußeren Orbitalen zu erkunden. Dabei zeigte sich, dass die Ionisation der Moleküle winkelabhängig zum Einfall des Lichtpulses stattfand. Diese Beobachtung steht im Einklang mit den theoretischen Berechnungen und liefert ebenfalls einen Beitrag zur beobachteten Asymmetrie. Die Wissenschaftler zeigten auch, dass die Asymmetrie der Ionisation von der Länge der Laserpulse abhängt.

Mit ihren Versuchen und Berechnungen haben die Garchinger und Münchener Forscher ein wichtiges Vorhaben umgesetzt, das sie sich im Exzellenzcluster "Munich Centre for Advanced Photonics" MAP vorgenommen haben. Ziel war es, in einem Vielelektronensystem Kontrolle über einzelne Elektronen zu erlangen und diesen Vorgang zu beobachten.

Elektronen sind in jeden lebenswichtigen, mikroskopischen Prozessen, genauso wie in der Technik allgegenwärtig. Ihre blitzschnellen Bewegungen innerhalb von Attosekunden bestimmen die biologischen und chemischen Prozesse, wie auch die Geschwindigkeit der Mikroprozessoren, das Herzstück von Computern.

Mit ihren Experimenten haben die Forscher somit einen weiteren, wichtigen Schritt getan, künftig chemische Reaktionen mit Licht zu beobachten und zu beeinflussen. In der sogenannten Lichtwellenelektronik führt die Grundlagenforschung hin zu ultraschnellen Rechenvorgängen in Computern im Bereich von wenigen Attosekunden. (thn)

Publikation:
I. Znakovskaya, P. von den Hoff, S. Zherebtsov, A. Wirth, O. Herrwerth, M.J.J. Vrakking, R. de Vivie-Riedle, M.F. Kling:
"Attosecond control of electron dynamics in carbon monoxide"
Physical Review Letters (4. September 2009)
Ansprechpartner:
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.kling@mpq.mpg.de
Prof. Dr. Regina de Vivie-Riedle
Department Chemie und Biochemie
Ludwig-Maximilians-Universität München
Tel.: +49 89 / 2180 - 77533
Fax: +49 89 / 2180 - 77133
E-Mail: regina.de_vivie@cup.uni-muenchen.de

Luise Dirscherl | idw
Weitere Informationen:
http://www.attoworld.de
http://www.uni-muenchen.de

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