Ein Blick ins Innere von Molekülen

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

Media Contact

Gesine Wiemer Forschungsverbund Berlin e.V.

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Physik Astronomie

Von grundlegenden Gesetzen der Natur, ihre elementaren Bausteine und deren Wechselwirkungen, den Eigenschaften und dem Verhalten von Materie über Felder in Raum und Zeit bis hin zur Struktur von Raum und Zeit selbst.

Der innovations report bietet Ihnen hierzu interessante Berichte und Artikel, unter anderem zu den Teilbereichen: Astrophysik, Lasertechnologie, Kernphysik, Quantenphysik, Nanotechnologie, Teilchenphysik, Festkörperphysik, Mars, Venus, und Hubble.

Zurück zur Startseite

Kommentare (0)

Schreiben Sie einen Kommentar

Neueste Beiträge

Aufbruchstimmung in der Alzheimer-Forschung

Bei der Alzheimer Erkrankung lagern sich Eiweiße im Gehirn ab und schädigen es. Prof. Dr. Susanne Aileen Funke von der Hochschule Coburg hat eine Methode gefunden, die solche gefährlichen Eiweißverbindungen…

Chronische Entzündungen durch Ansätze aus der Natur behandeln

Die interdisziplinäre Forschungsgruppe „nature4HEALTH“ hat jüngst ihre Arbeit aufgenommen. Das Team der Friedrich-Schiller-Universität Jena und des Universitätsklinikums Jena entwickelt ganzheitliche naturstoffbasierte Therapieansätze für die Behandlung chronisch-entzündlicher Erkrankungen. Chronische Entzündungen sind…

Antivirale Beschichtungen und Zellkultur-Oberflächen maßgeschneidert herstellen

Verfahren der Kieler Materialwissenschaft ermöglicht erstmals umfassenden Vergleich von Beschichtungen für biomedizinische Anwendungen. Der Halteknopf im Bus, die Tasten im Fahrstuhl oder die Schutzscheibe am Anmeldetresen in der Arztpraxis: Täglich…

Partner & Förderer