Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Eine Molekül-Kamera der Superlative

08.11.2006
Heidelberger Max-Planck-Forscher filmen erstmals schnelle Molekülschwingungen

Forscher des Max-Planck-Instituts für Kernphysik in Heidelberg haben die Schwingungs- und Drehbewegung der Kerne in einem Wasserstoffmolekül als quantenmechanisches Wellenpaket sichtbar gemacht - und zwar erstmals auf einer extrem kurzen Zeitskala in Raum und Zeit. Sie "photographierten" das Molekül unter Verwendung von intensiven, ultrakurzen Laserpulsen zu unterschiedlichen Zeitpunkten und setzten die einzelnen Aufnahmen zu einem Film zusammen. So visualisierten sie das quantenmechanische Wellenverhalten des schwingenden und rotierenden Moleküls (Physical Review Letters, Online-Edition, 6. November 2006).


Einer der vielen Schnappschüsse, die die Physiker vom schweren Wasserstoffmolekül aufgenommen haben. Jeder Punkt im Bild entspricht einem bestimmten Winkel zwischen Laserpolarisation und Molekülachse sowie einem bestimmten Abstand der Deuterium-Kerne. Rot markierte Konstellationen kommen häufiger vor. Bild: Max-Planck-Institut für Kernphysik


Die zeitliche Entwicklung des Wellenpakets. Aufgetragen ist der Abstand der Deuterium-Kerne (R) gegen die Zeit. Nach etwa 100 Femtosekunden beginnt das Wellenpaket - also der Aufenthaltsort der Kerne - zu verschmieren, nach 400 Femtosekunden kommt es zum "Revival" und das Wellenpaket findet sich wieder zusammen. Bild: Max-Planck-Institut für Kernphysik

Zum Fotografieren von Molekülen nützen Fotoapparate und Lichtmikroskope nichts: Ein Wasserstoffmolekül ist etwa 5000 Mal kleiner als die Wellenlänge sichtbaren Lichts. Auf optischem Wege kann es daher nicht abgebildet werden. Stattdessen verwenden Max-Planck-Forscher schon seit längerer Zeit als hoch auflösende und sehr schnelle Aufnahmetechnik die Pump-Probe-Technik. Dabei werden die Moleküle erst mit einem "Pump"-Laserpuls "angestoßen" und dann nach einer gewissen Zeit mit einem "Probe"-Laserpuls vermessen.

Das besondere Interesse der Wissenschaftler gehört dabei dem kleinsten und schnellsten Molekül, dem Wasserstoff-Molekül. Um dessen ultraschnelle molekulare Bewegungen abbilden zu können, waren jedoch die Laserpulse bisher zu lang. Die beiden Kerne im Wasserstoffmolekül schwingen so schnell hin und her, dass selbst sichtbares Licht in dieser Zeit nur etwa fünf Schwingungen vollführt. Genau wie beim Photographieren braucht man aber für das scharfe Erfassen schneller Abläufe eine extrem kurze Belichtungszeit.

Um die "Belichtungszeit" zu verkürzen, entwickelten die Forscher am Max-Planck-Institut für Kernphysik eine Pump-Probe-Apparatur mit einer mittleren Laserpulsdauer von nur sechs bis sieben Femtosekunden, mit der erstmals die Molekülbewegungen kontinuierlich vermessen werden konnten. Zum Vergleich: Licht, das in einer Sekunde die Erde etwa achtmal umrunden kann, kommt in sieben Femtosekunden nur etwa zwei Tausendstel Millimeter weit. Dabei meisterten die Wissenschaftler enorme technische Herausforderungen: Sie hielten den zeitlichen Abstand zwischen beiden Laserpulsen mit einer Genauigkeit von 0,3 Femtosekunden stabil. In dieser Zeit legt Licht jedoch nur eine Strecke von 100 Nanometern zurück. Daher durften sich die optischen Komponenten des Experimentes während der Dauer der Messung nicht mehr als 500 Atomdurchmesser gegeneinander verschieben.

Für die Messung nutzten die Forscher Deuterium-Moleküle - eine Verbindung aus zwei schweren Wasserstoff-Atomen - die nicht energetisch angeregt sind, sich also im quantenmechanischen Grundzustand befinden. Mit einem ersten Pump-Laserpuls wird einem Deuterium-Molekül ein Elektron entrissen, es wird ionisiert. Das ionisierte Deuterium-Molekül passt sich an die neue Situation an, indem sich seine beiden Kerne auseinander bewegen und um eine neue Ruhelage schwingen. Außerdem versetzt der Pump-Puls das Molekül auch in Rotation. Mit dem folgenden Probe-Laserpuls entreißen die Wissenschaftler dann dem Molekül auch das zweite Elektron; da nun keine Elektronen mehr für die Bindung vorhanden sind und sich die positiv geladenen Kerne abstoßen, "explodieren" die Überreste des Moleküls, und zwar umso heftiger, je näher sich die beiden Kerne zum Zeitpunkt der zweiten Ionisation waren. Mit einem "Reaktionsmikroskop", das die Forscher schon vor längerem entwickelt haben, misst man die Energie der beiden Deuterium-Kerne und ermittelt daraus den Abstand und die räumliche Lage der beiden Kerne im Augenblick der Explosion. Verändert man nun den zeitlichen Abstand zwischen erstem Pump- und zweitem Probepuls, kann zu unterschiedlichen Zeitpunkten ein "Schnappschuss" der Kernbewegung aufgenommen werden (s. Abb. 1). Die so erhaltenen Einzelbilder ergeben, aneinander gereiht, einen "molekularen Film" und vermitteln einen Einblick in die Dynamik des Moleküls

Quantenmechanisch gesehen entsprechen die schwingenden Deuterium-Kerne einem Wellenpaket, das als kompaktes System startet und nach einer gewissen Zeit auseinander läuft - Physiker sprechen davon, dass das Paket "delokalisiert", ähnlich, wie sich ein Pulk unterschiedlich schneller Läufer, der beim Start auf der Tartanbahn zunächst dicht zusammen liegt, nach einer Weile auseinander zieht. Ein solches Auseinanderlaufen ist in Abb. 2 zu erkennen. Zu Anfang ist die gemessene Bewegung des Wellenpakets (und damit der Kerne) noch gut lokalisiert, das Läuferfeld also noch relativ dicht und kompakt. Nach etwa 100 Femtosekunden verschmiert die Struktur, es kommt zu einer Delokalisierung; die Läufer sind über die gesamte Tartanbahn verteilt. Diesen so genannten "Kollaps des Wellenpakets" konnten die Physiker in Raum und Zeit abbilden. Obendrein maßen sie, dass sich das Wellenpaket nach etwa 400 Femtosekunden wieder "sammelt"; es kommt zu einem "Revival". Im Bild des Langstreckenlaufs bedeutet dies, dass sich die Läufer nach einer gewissen Zeit wieder zu einem dicht gedrängten Pulk zusammenfinden.

Mit ihrer extrem schnellen Kamera für Moleküle konnten die Heidelberger Forscher erstmals die Dynamik eines der schnellsten molekularen Systeme auf einer bis dahin unerreicht kurzen Zeitskala vollständig abbilden. In Zukunft soll durch eine Modellierung des Pump-Laserpulses das Wellenpaket so geformt werden, dass bestimmte quantenmechanische Prozesse bevorzugt stattfinden. So wollen die Wissenschaftler chemische Reaktionen größerer Moleküle manipulieren und steuern. In den Heidelberger Labors werden solche Experimente bereits am Methan-Molekül durchgeführt.

Originalveröffentlichung:

Th. Ergler, A. Rudenko, B. Feuerstein et al.
Spatio-Temporal Imaging of Ultrafast Molecular Motion: ‘Collapse’ and Revival of D2+ Nuclear Wave Packet

Physical Review Letters, Vol. 97, No. 19, November 6, 2006

Dr. Andreas Trepte | medandmore communication
Weitere Informationen:
http://www.mpg.de/

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht VLT macht den präzisesten Test von Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie außerhalb der Milchstraße
22.06.2018 | ESO Science Outreach Network - Haus der Astronomie

nachricht Neue Phänomene im magnetischen Nanokosmos
22.06.2018 | Max-Planck-Institut für Intelligente Systeme

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: Leichter abheben: Fraunhofer LBF entwickelt Flugzeugrad aus Faser-Kunststoff-Verbund

Noch mehr Reichweite oder noch mehr Nutzlast - das wünschen sich Fluggesellschaften für ihre Flugzeuge. Wegen ihrer hohen spezifischen Steifigkeiten und Festigkeiten kommen daher zunehmend leichte Faser-Kunststoff-Verbunde zum Einsatz. Bei Rümpfen oder Tragflächen sind permanent Innovationen in diese Richtung zu beobachten. Um dieses Innovationsfeld auch für Flugzeugräder zu erschließen, hat das Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF jetzt ein neues EU-Forschungsvorhaben gestartet. Ziel ist die Entwicklung eines ersten CFK-Bugrads für einen Airbus A320. Dabei wollen die Forscher ein Leichtbaupotential von bis zu 40 Prozent aufzeigen.

Faser-Kunststoff-Verbunde sind in der Luftfahrt bei zahlreichen Bauteilen bereits das Material der Wahl. So liegt beim Airbus A380 der Anteil an...

Im Focus: IT-Sicherheit beim autonomen Fahren

FH St. Pölten entwickelt neue Methode für sicheren Informationsaustausch zwischen Fahrzeugen mittels Funkdaten

Neue technische Errungenschaften wie das Internet der Dinge oder die direkte drahtlose Kommunikation zwischen Objekten erhöhen den Bedarf an effizienter...

Im Focus: Innovative Handprothesensteuerung besteht Alltagstest

Selbstlernende Steuerung für Handprothesen entwickelt. Neues Verfahren lässt Patienten natürlichere Bewegungen gleichzeitig in zwei Achsen durchführen. Forscher der Universitätsmedizin Göttingen (UMG) veröffentlichen Studie im Wissenschaftsmagazin „Science Robotics“ vom 20. Juni 2018.

Motorisierte Handprothesen sind mittlerweile Stand der Technik bei der Versorgung von Amputationen an der oberen Extremität. Bislang erlauben sie allerdings...

Im Focus: Temperaturgesteuerte Faser-Lichtquelle mit flüssigem Kern

Die moderne medizinische Bildgebung und neue spektroskopische Verfahren benötigen faserbasierte Lichtquellen, die breitbandiges Laserlicht im nahen und mittleren Infrarotbereich erzeugen. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Leibniz-Instituts für Photonische Technologien Jena (Leibniz-IPHT) zeigen in einer aktuellen Veröffentlichung im renommierten Fachblatt Optica, dass sie die optischen Eigenschaften flüssigkeitsgefüllter Fasern und damit die Bandbreite des Laserlichts gezielt über die Umgebungstemperatur steuern können.

Das Besondere an den untersuchten Fasern ist ihr Kern. Er ist mit Kohlenstoffdisulfid gefüllt - einer flüssigen chemischen Verbindung mit hoher optischer...

Im Focus: Temperature-controlled fiber-optic light source with liquid core

In a recent publication in the renowned journal Optica, scientists of Leibniz-Institute of Photonic Technology (Leibniz IPHT) in Jena showed that they can accurately control the optical properties of liquid-core fiber lasers and therefore their spectral band width by temperature and pressure tuning.

Already last year, the researchers provided experimental proof of a new dynamic of hybrid solitons– temporally and spectrally stationary light waves resulting...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Leben im Plastikzeitalter: Wie ist ein nachhaltiger Umgang mit Plastik möglich?

21.06.2018 | Veranstaltungen

Kongress BIO-raffiniert X – Neue Wege in der Nutzung biogener Rohstoffe?

21.06.2018 | Veranstaltungen

DFG unterstützt Kongresse und Tagungen im August 2018

20.06.2018 | Veranstaltungen

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

Leichter abheben: Fraunhofer LBF entwickelt Flugzeugrad aus Faser-Kunststoff-Verbund

22.06.2018 | Materialwissenschaften

Lernen und gleichzeitig Gutes tun? Baufritz macht‘s möglich!

22.06.2018 | Unternehmensmeldung

GFOS und skip Institut entwickeln gemeinsam Prototyp für Augmented Reality App für die Produktion

22.06.2018 | Unternehmensmeldung

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