25.07.2013

Informationsdienst Wissenschaft - idw

Echtzeitbeobachtung von Elektronendynamiken in Molekülen

Die Beobachtung und Kontrolle dieser schnellen Ladungsumordnung ist ein wichtiges Ziel in dermodernen Molekülphysik. Einige theoretische Arbeiten sagen vorher, dass das schnelle Entfernen von Elektronen aus Molekülen eine Ladungsoszillation auslöst, die wiederum die nachfolgende Chemiebeeinflussen kann. Ein erster Schritt in Richtung Kontrolle solcher Prozesse ist es zu lernen, wie man Elektronen in Echtzeit experimentell beobachten kann. Genau dies ist nun in den Attosekundenlaboratorien des MBI gelungen.Die kürzesten Laserimpulse, welche Wissenschaftler heutzutage erzeugen können, haben eine Impulsdauer von nur 50 - 500 as. In einem Prozess, der„Erzeugung höherer Harmonischer“ (high-order harmonic generation (HHG))genannt wird, wird ein Edelgas von einem Nahinfrarotlaser ionisiert.

Dasfreigesetzte Elektron wird im Laserfeld in Feldpolarisationsrichtung erst vom Ion weg und danach zum Ion zurück beschleunigt. Hierbei kommt es zur Rekombination und die aufgebrachte Energie, welche benötigt wurde um das Gas zu ionisieren und das freie Elektron zu beschleunigen, wird in Form von Photonen freigesetzt. Die Photonenenergie liegt typischerweise im Bereich von 10 - 100 eV und entspricht einem Vielfachen der Photonenenergie des Nahinfrarotlasers. Da die Periode desNahinfrarotfeldes im Bereich von nur wenigen Femtosekunden liegt und der Rekombinationszeitpunkt für alle freigesetzten Elektronen etwa gleich ist,kann man optische Impulsdauern im Attosekundenbereich erreichen.Während Femtosekundenimpulse erfolgreich genutzt wurden um Strukturänderungen in Molekülen zu studieren, benötigt man Attosekundenimpulse um die schnellen Bewegungen von Elektronen in Molekülen zu verfolgen. Nachdem diese ultrakurzen optischen Impulse imJahr 2001 zum ersten Mal beobachtet worden sind, wurden diese für Studien von verschiedensten Systemen wie Atomen, Molekülen und Festkörpern eingesetzt. In vorangegangen Arbeiten des MBI-Teams wurden bereits Attosekundenimpulse für Pumpe-Probe-Untersuchungen an Molekülen genutzt.Es wurden erste experimentelle Hinweise auf die Kopplung von Elektronen-und Kernbewegungen auf Attosekunden- und Femtosekundenzeitskalen sowie die Auswirkungen der Verschränktheit in Multielektronensystemen gefunden.

Es war bisher allerdings nicht möglich reine Elektronendynamiken in neutralen Molekülen mit Attosekundenimpulsen zu studieren.Die neusten Ergebnisse zur erfolgreichen Beobachtung von molekularenElektronendynamiken basieren auf „dynamischer Ausrichtung“. Diese Technik wurde schon vor einiger Zeit vom MBI-Team genutzt und ist mittlerweile einfester Bestandteil von vielen Experimenten, welche die Struktur und Dynamiken von und in Molekülen untersuchen. Wird ein MolekülLaserstrahlung ausgesetzt, die zwar zu schwach ist das System zuionisieren, aber stark genug um im Molekül einen Dipol zu induzieren, so richtet sich die polarisierbarste Molekülachse entlang derLaserpolarisationsachse aus. Mit Hilfe dieser dynamischen Ausrichtung gelingt es Prozesse, welche im Molekülbezugssystem stattfinden, imLaborbezugssystem zu studieren.In den kürzlich veröffentlichten Experimenten, die vom MBI-Team zusammen mit Kollegen aus Lyon (Frankreich) und Lund (Schweden) durchgeführt wurden, konnte dieser oszillierende Dipol direkt beobachtet werden. Das Molekül wurde durch einen Attosekundenimpulszug ionisiert, der zum Felddes dipolinduzierenden Nahinfrarotlasers synchronisiert war. Je nach Phase zwischen Pumpe- und Probeimpuls war die Ionisationswahrscheinlichkeit deutlich verschieden. Waren die Blitze des Attosekundenimpulszugs synchronisiert zum Nulldurchgang des Nahinfrarotfeldes (Abbildung 1 (a)),so war die Ionisationsausbeute kleiner als wenn die Blitze mit den Extremades Nahinfrarotfeldes synchronisiert wurden (Abbildung 1 (b)).

Der Grund hierfür ist die
Energie- und Impulserhaltung. Vorausgesetzt die Photonenenergie im Attosekundenblitz ist ausreichend, ist es deutlich einfacher Elektronen aus dem Molekül zu lösen, welche sich dicht an denatomaren Kernen bewegen. Diese Aufenthaltswahrscheinlichkeit wird aberdurch das Nahinfrarotfeld periodisch verändert (Abbildung 1 (c)), was zu einer Modulation des Ionisationswechselwirkungsquerschnittes führt (Abbildung 2).Das Pumpe-Probe-Experiment wurde für verschiedene Moleküle durchgeführt,wobei sich der o.g. Effekt linear mit der Polarisierbarkeit der Moleküleveränderte (Abbildung 2). Die experimentelle Anordnung kann als ersteImplementierung der Stark-Spektroskopie auf Attosekundenzeitskalainterpretiert werden. Mit dieser Methode wird die Antwort des Moleküls auf ein äußeres elektrisches Feld optisch abgefragt. Zukünftige Experimentedes MBI-Teams werden sich mit transienter Absorption mit Attosekundenzeitauflösung beschäftigen. Außerdem sollen optische Attosekundenimpulse genutzt werden um intrinsische Ladungsbewegungen in Molekülen, welche nicht durch ein externes Laserfeld induziert wurden, zu beobachten.

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