Kombination extrem ultravioletter Lichtquellen zur Aufklärung eines quantenmechanischen Dissoziationsmechanismus in Sauerstoffmolekülen

Zum ersten Mal ist es Forschern gelungen, ein Molekül mithilfe einer Kombination aus zwei extrem ultravioletten Lichtquellen selektiv anzuregen und das Molekül zu dissoziieren, während es über die Zeit verfolgt wird. Dies ist ein weiterer Schritt zur gezielten quantenmechanischen Kontrolle chemischer Reaktionen, der neue, bisher unbekannte Reaktionskanäle ermöglichen könnte.

Die Wechselwirkung von Licht mit Materie, insbesondere mit Molekülen, spielt in vielen Bereichen der Natur eine wichtige Rolle, beispielsweise bei biologischen Prozessen wie der Photosynthese. Auch Technologien wie Solarzellen nutzen diesen Prozess.

Auf der Erdoberfläche spielt dabei vor allem Licht im sichtbaren, ultravioletten oder infraroten Bereich eine Rolle. Extrem-ultraviolettes (XUV) Licht – Strahlung mit deutlich mehr Energie als sichtbares Licht – wird von der Atmosphäre absorbiert und erreicht daher nicht die Erdoberfläche. Allerdings kann diese XUV-Strahlung im Labor erzeugt und genutzt werden, um eine selektive Anregung von Elektronen in Molekülen zu ermöglichen.

Während die einzelnen Atome in einem Molekül durch ihre äußersten Elektronen in einer Art negativ geladener Wolke zusammengehalten werden – sie fungieren als eine Art „chemischer Klebstoff“ – sind die Elektronen der inneren Hülle näher an einen Atomkern gebunden und daher stärker im Atomkern lokalisiert Molekül. Genau diese Elektronen können nun mit XUV-Strahlung gezielt angeregt werden. Dies ermöglicht neue chemische Reaktionsprozesse, die auf der Erdoberfläche natürlicherweise nicht vorkommen.

Einer Forscherkooperation unter der Leitung von PD Dr. Christian Ott in der Abteilung von Prof. Pfeifer am Max-Planck-Institut für Kernphysik in Heidelberg ist es nun erstmals gelungen, zwei verschiedene XUV-Lichtquellen zu kombinieren Zeit, um einen quantenmechanischen Dissoziationsmechanismus in Sauerstoffmolekülen zeitlich aufzulösen.

Die Arbeit des Teams ist veröffentlicht im Tagebuch Wissenschaftliche Fortschritte.

Um dies zu erreichen, werden zum einen Laserpulse mit dem Verfahren der High Harmonic Generation (HHG) erzeugt, bei dem Infrarotlicht durch eine Gaszelle geleitet und dabei in XUV-Strahlung umgewandelt wird – bekannt beispielsweise vom diesjährigen Nobelpreis Preis in Physik. Zum anderen kommt ein Freie-Elektronen-Laser (FEL) zum Einsatz, bei dem beschleunigte Elektronen XUV-Licht emittieren. Beide Methoden erzeugen XUV-Pulse mit einer Dauer von Femtosekunden, einem Millionstel einer Milliardstel Sekunde.

Ausschlaggebend hierfür ist, dass die Spektren der beiden Laserpulse sehr unterschiedlich sind. „Die HHG-Pulse haben ein sehr breites Spektrum, das heißt, sie bestehen aus Licht mit vielen verschiedenen Frequenzen – im sichtbaren Bereich könnte man das als unterschiedliche Farben verstehen. Die FEL-Pulse sind dagegen spektral deutlich eingeschränkter“, erklärt Ph.D. Student und Erstautor der Studie Alexander Magunia.

Die FEL-Pulse werden am Freie-Elektronen-Laser in Hamburg (FLASH@DESY) erzeugt und dazu genutzt, die Elektronen des Sauerstoffmoleküls in einen bestimmten Zustand anzuregen. Es ist bekannt, dass dieser Zustand dann dazu führt, dass das Molekül über zwei verschiedene Kanäle dissoziiert. Allerdings war bisher unklar, wie schnell dies geschieht. Denn die Atome im Sauerstoffmolekül müssen einen „Quantentunnelvorgang“ durchlaufen, was genaue theoretische Beschreibungen erschwert.

Durch die Hinzufügung des zweiten HHG-Pulses mit einstellbarer Zeitverzögerung zum ersten anregenden FEL-Puls kann diese molekulare Dissoziation nun experimentell aufgezeichnet werden – wie in einer schnellen Fotoserie. Die HHG-Pulse ermöglichen es, alle entstehenden Fragmente durch ihre spektralen Absorptions-Fingerabdrücke auf einmal zu „fotografieren“ – ein entscheidender Schritt.

Je größer die Zeitverzögerung zwischen den beiden Pulsen ist, desto mehr Moleküle sind bereits zerfallen. Diese Zunahme der Fragmente ermöglicht es den Forschern letztendlich, die Dauer des Prozesses und die jeweiligen Geschwindigkeiten für die beiden Zerfallskanäle zu bestimmen.

Die Möglichkeit, mit FEL-Pulsen gezielt elektronische oder molekulare Prozesse anzustoßen und mit den breitbandigen HHG-Spektren vielfältige quantenmechanische Zustandsinformationen über das Molekül oder seine einzelnen Fragmente selbstständig auszulesen, wird es hoffentlich ermöglichen, mehr aufzuzeichnen, zu verstehen und letztlich zu kontrollieren komplexe chemische Reaktionen mit Licht in der Zukunft.