Ein europ?isches Forschungsteam hat ein neuartiges spektroskopisches Verfahren entwickelt, mit dem sich ultraschnelle dynamische Prozesse von Elektronen und Schwingungen innerhalb von Molekülen verfolgen lassen – und zwar mit atomarer Aufl?sung und in Echtzeit. Das experimentelle Team in Barcelona wurde bei der theoretischen Beschreibung der Prozesse durch ein Team der Universit?t Jena unterstützt. Die Forschenden demonstrieren ihre ?Attosekunden-Kernspektroskopie“ am Beispiel des Furan-Moleküls und stellen ihre Methode im Fachmagazin ?Nature Photonics“ vor.

Chemische Reaktionen sind komplexe Mechanismen. Daran beteiligt sind verschiedene dynamische Prozesse der Elektronen und der Atomkerne, die sich wechselseitig beeinflussen. Sehr oft führt eine stark gekoppelte Elektronen- und Kerndynamik zu ultraschnellen strahlungslosen Relaxationsprozessen, die als konische ?berschneidungen bekannt sind. Bislang lassen sich solche Prozesse, die von hoher chemischer und biologischer Relevanz sind, jedoch experimentell nur sehr schwer beobachten. Der Grund: Die Bewegungen der Elektronen und der Atomkerne sind nur schwer voneinander zu unterscheiden und laufen auf ultraschnellen Zeitskalen ab, bis runter in den Attosekundenbereich – dem Milliardstel einer Milliardstel Sekunde.

In einer kürzlich erschienenen Ver?ffentlichung in "Nature Photonics" haben das experimentell arbeitende Forschungsteam des Institute of Photonic Sciences (ICFO) in Barcelona sowie das Theorieteam um Dr. Karl Michael Ziems und Prof. Dr. Stefanie Gr?fe von der Friedrich-Schiller-Universit?t Jena nun ein leistungsf?higes Werkzeug vorgestellt, das solche molekularen Dynamiken in Echtzeit erfassen kann. Die Forschenden haben ihre Methode an der Dynamik des Furan-Moleküls in der Gasphase gemessen. Furan ist ein organisches Molekül, das aus Kohlenstoff, Wasserstoff und Sauerstoff besteht, wobei die Atome in einer planaren fünfeckigen Geometrie – als ?chemischer Ring“ – angeordnet sind. Furan ist ein prototypisches Beispiel chemischer Ringverbindungen, die in zahlreichen Alltagsprodukten wie Kraftstoffen, Pharmazeutika oder Agrochemikalien vorkommen.

Wie ein chemischer Ring ge?ffnet wird und wie er sich wieder schlie?t

Dem Team ist es gelungen, Details einer Ring?ffnungsdynamik von Furan zeitlich aufzul?sen, d. h. die Spaltung der Bindung zwischen einem Kohlenstoffatom und dem Sauerstoffatom, was die Ringstruktur aufbricht. Dafür wurde das Furan-Molekül zun?chst durch einen Laserstrahl (Anregungspuls) angeregt. Mit einem darauffolgenden, schw?cheren Attosekunden-Puls (Abfragepuls) konnten die Forschenden die durch die Anregung ausgel?sten Ver?nderungen im Molekül beobachten.

Nach der initialen Lichtanregung konnten die erwarteten Kopplungsregionen zwischen verschiedenen Zust?nden (konischen Durchschneidungen) zeitlich lokalisiert werden, indem die Ver?nderungen des Absorptionsspektrums in Abh?ngigkeit von der Verz?gerung zwischen Anregung und Abfragepuls analysiert wurden. Das Auftreten und Verschwinden von Absorptionsmerkmalen liefern Signaturen für die ?nderungen des elektronischen Zustands von Furan.

So konnten die Forscher zum ersten Mal zeigen, dass eine Quantenüberlagerung zwischen verschiedenen elektronischen Zust?nden erzeugt wird – ein elektronisches Wellenpaket – die sich in Form von sogenannten Quantenbeats manifestiert. Auch die eigentliche Ring?ffnung über sogenannte dunkle Zust?nde konnte mit dem experimentellen Aufbau demonstriert werden. Der ?bergang des Moleküls von einer geschlossenen zu einer offenen Ringgeometrie spiegelt sich in einem ver?nderten Absorptionsspektrum wider. Schlie?lich kehrte das Molekül in seinen elektronischen Grundzustand zurück, dessen ?bergang ebenfalls genau zeitaufgel?st wurde.

Neues Werkzeug zur Analyse schneller Vorg?nge in Molekülen

Das Autorenteam hebt hervor, dass die Attosekunden-Kernspektroskopie nicht nur auf Untersuchungen dieses speziellen Moleküls beschr?nkt ist, sondern sich als Werkzeug für vielf?ltige Anwendungen eignet. So k?nnten damit komplexe Dynamiken analysiert werden, wie sie etwa bei der Wechselwirkung von ultravioletter Strahlung und DNA auftreten. Darüber hinaus sehen die Forschenden die Manipulation von chemischen Reaktionsabl?ufen als eine der vielversprechendsten Anwendungen für ihre Arbeit.