Erstmals haben Wissenschaftler es geschafft, chemische Reaktionen in Atomen durch einen speziellen Laser auszulösen. Hierzu setzten sie ultrakurze Laserpulse im Femtosekunden-Bereich ein: Unter dem Einfluss des Lichtpulses ändern die Elektronen ihre Quantenzustände, was zum Aufbrechen einer chemischen Bindung oder auch zu ihrer Neubildung führen kann. Diese Entdeckung könnte zu einer weiteren Miniaturisierung von Bauelementen der molekularen Elektronik führen oder der Steuerung von Elektronen-Transferprozessen in DNA-Basenpaaren dienen. Die Forscher veröffentlichten ihre Ergebnisse in der aktuellen Ausgabe der Fachzeitschrift Science.
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Erst seit wenigen Jahren verfügen Forscher über so genannte Femtosekunden-Pulse, einer hochpräzisen Lasertechnik. 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 Ferenc Krausz, dem Direktor am Max-Planck-Institut für Quantenoptik, 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 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.
Deuterium-Ionen unter „Beschuss“
Ein Team um Matthias Kling hat nun am Max-Planck-Institut für Quantenoptik den Einfluss von linear polarisierten, fünf Femtosekunden langen Laserpulsen auf die Dissoziation, das heißt, 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 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, so bewirkte eine Phasenverschiebung um 180 Grad eine Umkehrung der Emissionsrichtung, d.h. die Ionen flogen nach links.
Elektronenwolke: mal rechts mal links
Quantenmechanische Rechnungen zeigten dann, dass sich dieses Phänomen folgendermaßen erklären lässt: Anfänglich ist das Elektron "delokalisiert", das heißt, seine Aufenthaltswahrscheinlichkeit 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.
(AMOLF/Max-Planck-Institut für Quantenoptik, 18.04.2006 – AHE)
