Experimente enthüllen überraschende Komplexität im Wasserstoffmolekül Attosekunden-Laser „fotografiert“ Elektronenbewegung - scinexx | Das Wissensmagazin
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Experimente enthüllen überraschende Komplexität im Wasserstoffmolekül

Attosekunden-Laser „fotografiert“ Elektronenbewegung

Elektronendynamik in einem Wasserstoffmolekül nach der Photoionisation durch einen Attosekunden XUV-Lichtpuls. Die Aufenthaltswahrscheinlichkeit des verbliebenen Elektrons im Molekül (in grün skizziert) wird im Experiment gemessen und ist als Berglandschaft dargestellt (Berg und Tal bedeuten höhere Elektronendichte auf der linken bzw. rechten Seite des Moleküls). Mit zunehmender Zeit nach der Photoionisation wird der Bindungsabstand im Wasserstoff größer (nach rechts). © Forschungsverbund Berlin

Einem europäischen Forscher-Team ist es erstmals gelungen, Attosekunden-Laserpulse zur Beobachtung von Elektronen in Molekülen zu verwenden. Wie die Forscher in „Nature“ berichten, enthüllten die Beobachtungen am Wasserstoffmolekül eine überraschende Komplexität der Vorgänge.

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 jedoch technisch nicht möglich, Elektronen zu beobachten, weil sie sich unvorstellbar schnell bewegen. Eine Möglichkeit, diese Bewegungen doch einzufangen, besteht in extrem kurzen Laserblitze: Sie können damit die Bewegung der Elektronen innerhalb eines Moleküls wie in einer Fotoserie „fotografieren“. Mit Femtosekunden-Lasern, Blitzen von einem Millionstel einer milliardstel Sekunde, untersuchen Wissenschaftler schon seit den 1980er Jahren Moleküle und Atome. Doch für Elektronenbewegungen reichte die Auflösung dieser Laser noch nicht aus. Erst 2001 gelang es Forschern erstmals, einen tausendfach kürzeren Laserblitz mit einer Länge von 250 Attosekunden zu erzeugen.

Attoskunden-Laser „fotografiert“ Elektronen im Wasserstoffmolekül

Jetzt hat ein europäisches Forscherteam erstmals solche Attosekunden-Laser eingesetzt, um Elektronen im Molekül zu beobachten. Die Physiker, darunter auch Forscher um Professor Marc Vrakking, Direktor am Max-Born-Institut für Nichtlineare Optik und Kurzzeitspektroskopie (MBI) in Berlin und Matthias Kling vom Max-Planck-Institut für Quantenoptik in Garching bei München untersuchten zunächst das Wasserstoffmolekül (H2) – es ist mit zwei Protonen und zwei Elektronen das am einfachsten aufgebaute Molekül.

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. „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“, erklärt Marc Vrakking.

Laserstrahl als Molekülschere

„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.“

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Problem komplexer als gedacht

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. „Wir sind mit unseren Rechnerkapazitäten fast an die Grenzen gestoßen, eineinhalb Millionen Stunden Computerrechenzeit haben wir aufgewendet“, erklärt Felipe Morales aus Madrid, der mittlerweile am MBI arbeitet.

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.“

(Forschungsverbund Berlin e.V., 10.06.2010 – NPO)

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