Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Laserwelle steuert Elektronenbewegung in Molekülen

18.04.2006


Erstmals ist es einem niederländisch-deutschen Forscherteam gelungen, chemische Reaktionen über die Steuerung der Elektronenbewegung in den beteiligten Atomen zu beeinflussen


Dissoziation eines Deuterium-Moleküls. Unter dem Einfluss eines Femtosekundenpulses (rote Kurve) beginnt die Elektronenwolke (blau) zwischen den Atomkernen (grau) hin und her zu schwingen (lilafarbene Kurve). Nach einer festgelegten Zeit zerfällt das Molekül in ein Deuterium-Ion und ein neutrales Deuterium-Atom. Bild: AMOLF/Max-Planck-Institut für Quantenoptik



Ultrakurze Laserpulse im Femtosekunden-Bereich haben sich als effektive Werkzeuge bewährt, um photochemische Reaktionen kontrolliert zu steuern: Unter dem Einfluss des Lichtpulses ändern die Elektronen ihre Quantenzustände, was zum Aufbrechen einer chemischen Bindung oder auch zu ihrer Neubildung führen kann. Wissenschaftler des FOM Institute for Atomic and Molecular Physics (AMOLF), Amsterdam, des Max-Instituts für Quantenoptik (MPQ) in Garching sowie der Universitäten Bielefeld und Hamburg sind nun einen entscheidenden Schritt weiter gekommen. Wie die Forscher in der Fachzeitschrift Science (14. April 2006) berichten, konnten sie mit "maßgeschneiderten" Wellenformen direkt die Bewegung der in die chemischen Bindungen involvierten Elektronen und damit auch das Reaktionsergebnis kontrollieren. Der hier für Dissoziation von Deuterium-Molekülen erzielte Erfolg ebnet vielleicht den Weg, auch Elektronen-Transferprozesse in großen Biomolekülen wie etwa DNA-Basenpaaren zu steuern.

... mehr zu:
»Atom »Elektron »Molekül


Erst seit kurzem verfügen Forscher über Femtosekunden-Pulse (1 Femtosekunde ist ein Millionstel von einem Milliardstel einer Sekunde) mit präzise kontrollierten Wellenformen. 2002 gelang es Prof. Ferenc Krausz (damals Technische Universität Wien, heute Direktor am Max-Planck-Institut für Quantenoptik) in Zusammenarbeit mit Prof. Theodor Hänsch (ebenfalls Direktor am MPQ), mit Hilfe der Nobelpreis-gekrönten Frequenzkammtechnik, so genannte "phasenstabilisierte" Laser zu entwickeln. Diese Laser zeichnen sich dadurch aus, dass von Puls zu Puls nicht nur Intensität und Frequenz, sondern auch die Lage der Maxima und Minima der Lichtschwingungen identisch ist.

Die hochintensiven, perfekt kontrollierten Felder solcher Femtosekundenpulse üben auf die Elektronen in einem Atom vergleichbare Kräfte aus wie der positiv geladene Atomkern. Wie Wissenschaftler um Prof. Krausz in verschiedenen Experimenten gezeigt haben, lässt sich mit solchen Pulsen die Bewegung der um die Atome kreisenden Elektronen direkt steuern, was sowohl die kontrollierte Entfernung von Elektronen aus Atomen oder Molekülen als auch die Erzeugung von Attosekunden-Pulsen (eine Attosekunde ist ein Milliardstel von einer Milliardstel Sekunde) ermöglicht. Daher stellt sich die Frage, ob man auch die Elektronen, die in Molekülen die chemische Bindung vermitteln, durch solche Pulse kontrollieren kann, und ob sich dadurch die Dynamik von chemischen Reaktionen beeinflussen lässt.

Ein Team um Dr. Matthias Kling hat nun am Max-Planck-Institut für Quantenoptik den Einfluss von linear polarisierten, fünf Femtosekunden langen Laserpulsen auf die Dissoziation, d.h. das Auseinanderbrechen von positiv geladenen Deuterium-Ionen (D2+ = schwerer Wasserstoff) untersucht. Die aus kommerziell erhältlichem D2 durch Laser-Ionisation erzeugten D2+-Ionen sind denkbar einfach aufgebaut: Sie enthalten zwei positiv geladene Kerne, die jeweils aus einem Proton und einem Neutron bestehen, und ein Elektron. Mit einem "Sensitive Imaging"-Detektor, einer Art Kamera, die eine Gruppe um Prof. Marc Vrakking am AMOLF entwickelt hatte, bestimmten die Wissenschaftler die Richtung, unter der die Molekülfragmente - ein Deuterium-Atom sowie ein positiv geladenes Deuterium-Ion - nach der Dissoziation ausgesendet wurden.

Solange sie Laserpulse ohne Phasenstabilisation verwendeten, war die Emissionsrichtung symmetrisch in Bezug auf die Polarisationsachse. Die Anwendung von Lichtpulsen, bei denen die Phase des elektrischen Lichtfeldes genau festgelegt war, führte hingegen dazu, dass die Bruchstücke - je nach Lage der gewählten Phase - bevorzugt in eine bestimmte Richtung flogen. Tatsächlich konnte die Emissionsrichtung über die Wahl der Phase gezielt gesteuert werden. Wurde die Phase so justiert, dass die Ionen nach rechts flogen (oberer Teil der Abbildung), so bewirkte eine Phasenverschiebung um 180 Grad eine Umkehrung der Emissionsrichtung, d.h. die Ionen flogen nach links (unterer Teil der Abbildung).

Quantenmechanische Rechnungen zeigten dann, dass sich dieses Phänomen folgendermaßen erklären lässt: Anfänglich ist das Elektron "delokalisiert", d.h. seine Aufenthaltswahrscheinlichkeit - symbolisiert durch die blauen Wolken in der Abbildung - erstreckt sich über beide Atomkerne, wodurch die chemische Bindung zustande kommt. Durch die Wechselwirkung mit dem Laserfeld besetzt das Elektron gleichzeitig zwei Energiezustände des D2+-Ions, im Fachjargon heißt dieser Vorgang "kohärente Überlagerung". Dies hat zur Folge, dass sich die Elektronenwolke, abhängig von der Phase des Feldes, auf der rechten oder der linken Seite der chemischen Bindung befindet.

Die Oszillation des Lichtfeldes zwingt das Elektron, zwischen beiden Seiten hin und her zu schwingen. Dadurch wird die chemische Bindung zwischen den positiv geladenen Kernen allmählich schwächer, ihr Abstand vergrößert sich, und das Molekül wird schließlich instabil. Wenn das Molekül in zwei Fragmente aufbricht, bleibt das Elektron an einem der beiden Ionen hängen, das dann zu einem neutralen D-Atom wird, während das andere Bruchstück als positiv geladenes Ion im Experiment nachgewiesen wird. Da die Dauer des Dissoziationsprozesses fest steht, lässt sich also durch Wahl der Phase des Lichtfeldes gezielt steuern, mit welchem Nukleon sich das Elektron zum Zeitpunkt des Zerfalls zusammen tut.

Elektronentransferprozesse spielen in der Chemie und Biologie eine außerordentlich wichtige Rolle. Schneller Elektronentransfer kann sowohl zur Schädigung als auch zur Reparatur von DNA-Basen-Paaren führen. Die hier für die Dissoziation von D2-Molekülen erhaltenen Resultate könnten einen Weg aufzeigen, wie sich solche Vorgänge auch in großen Biomolekülen durch elektrische Lichtfelder steuern lassen. Die Möglichkeit, den Ladungstransport gezielt durch einzelne Moleküle zu lenken, könnte auch zu einer weiteren Miniaturisierung von Bauelementen der molekularen Elektronik führen.
[OM]

Originalveröffentlichung:

M.F. Kling, Ch. Siedschlag, A.-J. Verhoef, J.I. Khan, M. Schultze, Th. Uphues, Y. Ni, M. Uiberacker, M. Drescher, F. Krausz, M.J.J. Vrakking
Control of Electron Localization in Molecular Dissociation

Dr. Andreas Trepte | Max-Planck-Gesellschaft
Weitere Informationen:
http://www.mpg.de

Weitere Berichte zu: Atom Elektron Molekül

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Ultraschneller Blick in die Photochemie der Atmosphäre
11.10.2019 | Max-Planck-Institut für Quantenoptik

nachricht Wie entstehen die stärksten Magnete des Universums?
10.10.2019 | Universität Heidelberg

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: Neuer Werkstoff für den Bootsbau

Um die Entwicklung eines Leichtbaukonzepts für Sportboote und Yachten geht es in einem Forschungsprojekt der Technischen Hochschule Mittelhessen. Prof. Dr. Stephan Marzi vom Gießener Institut für Mechanik und Materialforschung arbeitet dabei mit dem Bootsbauer Krake Catamarane aus dem thüringischen Apolda zusammen. Internationale Kooperationspartner sind Prof. Anders Biel von der schwedischen Universität Karlstad und die Firma Lamera aus Göteborg. Den Projektbeitrag der THM fördert das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie im Rahmen des Zentralen Innovationsprogramms Mittelstand mit 190.000 Euro.

Im modernen Bootsbau verwenden die Hersteller als Grundmaterial vorwiegend Duroplasten wie zum Beispiel glasfaserverstärkten Kunststoff. Das Material ist...

Im Focus: Novel Material for Shipbuilding

A new research project at the TH Mittelhessen focusses on the development of a novel light weight design concept for leisure boats and yachts. Professor Stephan Marzi from the THM Institute of Mechanics and Materials collaborates with Krake Catamarane, which is a shipyard located in Apolda, Thuringia.

The project is set up in an international cooperation with Professor Anders Biel from Karlstad University in Sweden and the Swedish company Lamera from...

Im Focus: Controlling superconducting regions within an exotic metal

Superconductivity has fascinated scientists for many years since it offers the potential to revolutionize current technologies. Materials only become superconductors - meaning that electrons can travel in them with no resistance - at very low temperatures. These days, this unique zero resistance superconductivity is commonly found in a number of technologies, such as magnetic resonance imaging (MRI).

Future technologies, however, will harness the total synchrony of electronic behavior in superconductors - a property called the phase. There is currently a...

Im Focus: Ultraschneller Blick in die Photochemie der Atmosphäre

Physiker des Labors für Attosekundenphysik haben erkundet, was mit Molekülen an den Oberflächen von nanoskopischen Aerosolen passiert, wenn sie unter Lichteinfluss geraten.

Kleinste Phänomene im Nanokosmos bestimmen unser Leben. Vieles, was wir in der Natur beobachten, beginnt als elementare Reaktion von Atomen oder Molekülen auf...

Im Focus: Wie entstehen die stärksten Magnete des Universums?

Wie kommt es, dass manche Neutronensterne zu den stärksten Magneten im Universum werden? Eine mögliche Antwort auf die Frage nach der Entstehung dieser sogenannten Magnetare hat ein deutsch-britisches Team von Astrophysikern gefunden. Die Forscher aus Heidelberg, Garching und Oxford konnten mit umfangreichen Computersimulationen nachvollziehen, wie sich bei der Verschmelzung von zwei Sternen starke Magnetfelder bilden. Explodieren solche Sterne in einer Supernova, könnten daraus Magnetare entstehen.

Wie entstehen die stärksten Magnete des Universums?

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

DFG unterstützt Kongresse und Tagungen - Dezember 2019

14.10.2019 | Veranstaltungen

10. Weltkonferenz der Ecosystem Services Partnership an der Leibniz Universität Hannover

14.10.2019 | Veranstaltungen

Bildung.Regional.Digital: Tagung bietet Rüstzeug für den digitalen Unterricht von heute und morgen

10.10.2019 | Veranstaltungen

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

Technologiemodul senkt Ausschussrate von Mikrolinsen auf ein Minimum

14.10.2019 | Informationstechnologie

Diagnostik für alle

14.10.2019 | Biowissenschaften Chemie

Bayreuther Forscher entdecken stabiles hochenergetisches Material

14.10.2019 | Materialwissenschaften

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