Neue experimentelle Forschungsergebnisse messen erstmals die Geschwindigkeit der molekularen Ladungswanderung

Um herauszufinden, wie Licht mit Molekülen interagiert, besteht der erste Schritt darin, die Elektronendynamik zu verfolgen, die sich auf der Zeitskala von Attosekunden entwickelt. Die Dynamik dieses ersten Schritts wird als Ladungsmigration (CM) bezeichnet. CM spielt eine grundlegende Rolle bei chemischen Reaktionen und biologischen Funktionen im Zusammenhang mit der Wechselwirkung zwischen Licht und Materie. Seit Jahren ist die Visualisierung von CM auf der natürlichen Zeitskala von Elektronen aufgrund der erforderlichen ultrafeinen räumlichen (Angström) und ultraschnellen zeitlichen (Attosekunde) Auflösung eine gewaltige Herausforderung in der Ultraschnell-Wissenschaft.

Experimentell hat die empfindliche Abhängigkeit von CM von Molekülorbitalen und -orientierungen die CM-Dynamik komplex und schwer nachvollziehbar gemacht. Es gibt noch einige offene Fragen zur molekularen CM, die noch unklar sind. Eine der grundlegendsten Fragen: Wie schnell wandert die Ladung in Molekülen? Obwohl molekulare CM im letzten Jahrzehnt mithilfe zeitabhängiger Quantenchemiepakete umfassend theoretisch untersucht wurde, war eine tatsächliche Messung der CM-Geschwindigkeit aufgrund der extremen Herausforderung bisher unerreichbar.

Wie berichtet in Fortgeschrittene Photonikschlug ein Forschungsteam der Huazhong University of Science and Technology (HUST) in Zusammenarbeit mit theoretischen Teams der Kansas State University und der University of Connecticut kürzlich eine Methode der Hochharmonischen Spektroskopie (HHS) zur Messung der CM-Geschwindigkeit in einem Kohlenstoffkettenmolekül vor , Butadiin (C4H2).

Das Prinzip von HHS basiert auf dem dreistufigen Modell der Erzeugung von Harmonischen höherer Ordnung (HHG): Ionisierung, Beschleunigung und Rekombination. Durch die starke Feldionisierung entsteht zunächst ein Lochwellenpaket im Ion, das sich im Laserfeld entwickelt und im Moment der Rekombination vom zurückkehrenden Elektronenwellenpaket untersucht wird, wobei die Lochdynamik in den erzeugten harmonischen Spektren aufgezeichnet wird. Die Forscher verwendeten ein zweifarbiges HHS-Schema in Kombination mit einem fortschrittlichen Rekonstruktionsalgorithmus für maschinelles Lernen, um die CM in C4H2 auf der grundlegendsten Ebene für jeden einzelnen festen Winkel des Moleküls im Raum zu rekonstruieren. Die Methode erreichte eine zeitliche Auflösung von 50 as.

Aus den ermittelten zeitabhängigen Lochdichten wird die Bewegung des Ladungszentrums identifiziert. Von dort aus wird die CM-Geschwindigkeit quantifiziert, die etwa mehrere Angström pro Femtosekunde beträgt. Darüber hinaus wird auch die Abhängigkeit der CM-Geschwindigkeit von den Ausrichtungswinkeln des Moleküls in Bezug auf die Laserpolarisation aufgezeigt. Der CM unter Lasersteuerung ist nachweislich schneller als der feldfreie. Diese Arbeit bietet zum ersten Mal eine experimentell abgeleitete Antwort auf die Geschwindigkeit von CM in einem Molekül.

Der korrespondierende Autor Pengfei Lan, Professor an der HUST School of Physics, sagt: „Diese Arbeit bietet tiefe Einblicke in die CM-Dynamik in Molekülen und könnte unser Verständnis dieser ultraschnellen Dynamik stärken.“ Lan weist darauf hin, dass die Kontrolle der CM-Geschwindigkeit durch molekulare Ausrichtung auch eine vielversprechende Möglichkeit darstellt, die Geschwindigkeit einer chemischen Reaktion zu manipulieren – ein Weg, den sein Team in naher Zukunft erkunden möchte.