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Erst seit kurzem verfügen Forscher über Femtosekunden-Pulse (1
Femtosekunde ist ein Millionstel von einem Milliardstel einer Sekunde)
mit präzise kontrollierten Wellenformen. 2002 gelang es Prof. Ferenc
Krausz (damals Technische Universität Wien, heute Direktor am MPQ) in
Zusammenarbeit mit Prof. Theodor Hänsch (Direktor am MPQ), mit Hilfe
der Nobelpreis-gekrönten Frequenzkammtechnik so genannte
"phasenstabilisierte" Laser zu entwickeln. Diese Laser zeichnen sich
dadurch aus, dass von Puls zu Puls nicht nur Intensität und Frequenz,
sondern auch die Lage der Maxima und Minima der Lichtschwingungen
identisch ist.
Die hochintensiven, perfekt kontrollierten Felder solcher
Femtosekundenpulse üben auf Elektronen in Atomen vergleichbare Kräfte
wie die positiv geladenen Atomkerne aus. Wie Wissenschaftler um Prof.
Krausz in verschiedenen Experimenten zeigten, lässt sich mit solchen
Pulsen die Bewegung der um die Atome kreisenden Elektronen direkt
steuern, was sowohl die kontrollierte Entfernung von Elektronen aus
Atomen als auch die Erzeugung von Attosekunden-Pulsen (eine
Attosekunde ist ein Milliardstel von einer Milliardstel Sekunde)
ermöglicht. Daher stellt sich die Frage, ob auch die Elektronen, die
in Molekülen die chemische Bindung vermitteln, durch solche Pulse
kontrolliert werden können, und ob sich dadurch die Dynamik von
chemischen Reaktionen beeinflussen lässt.
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Abbildung:
Dissoziation eines Deuterium-Moleküls: unter dem Einfluss eines
Femtosekundenpulses (rote Kurve) beginnt die Elektronenwolke
(blau) zwischen den Atomkernen (grau) hin und her zu schwingen
(lilafarbene Kurve). Nach einer festgelegten Zeit zerfällt das
Molekül in ein D+-Ion und ein neutrales D-Atom.
Grafik: AMOLF/MPQ |
Ein Team um Dr. Matthias Kling hat nun am MPQ den Einfluss von linear
polarisierten, 5 Femtosekunden langen Laserpulsen auf die Dissoziation
(d.h. das Auseinanderbrechen) von positiv geladenen Deuterium-Ionen
(D2+, schwerer Wasserstoff) untersucht. Die aus kommerziell
erhältlichem D2 durch Laser-Ionisation erzeugten D2+-Ionen sind
denkbar einfach aufgebaut: Sie enthalten zwei positiv geladene Kerne
(die jeweils aus einem Proton und einem Neutron bestehen) und ein
Elektron. Mit einem "Sensitive Imaging"-Detektor - einer Art Kamera -,
den eine Gruppe um Prof. Marc Vrakking am AMOLF entwickelt hatte,
bestimmten die Wissenschaftler die Richtung, unter der die
Molekülfragmente - ein Deuterium-Atom sowie ein positiv geladenes
Deuterium-Ion - nach der Dissoziation ausgesendet wurden. Solange sie
Laserpulse ohne Phasenstabilisation verwendeten, war die
Emissionsrichtung symmetrisch in Bezug auf die Polarisationsachse. Die
Anwendung von Lichtpulsen, bei denen die Phase des elektrischen
Lichtfeldes genau festgelegt war, führte dagegen dazu, dass die
Bruchstücke - je nach Lage der gewählten Phase - bevorzugt in eine
bestimmte Richtung flogen. Tatsächlich konnte die Emissionsrichtung
über die Wahl der Phase gezielt gesteuert werden. Wurde die Phase so
justiert, dass die Ionen nach rechts flogen (oberer Teil der
Abbildung), so bewirkte eine Phasenverschiebung um 180 Grad eine
Umkehrung der Emissionsrichtung, d.h. die Ionen flogen nach links
(unterer Teil der Abbildung).
Quantenmechanische Rechnungen ergeben, dass sich dieses Phänomen
folgendermaßen erklären lässt: Anfänglich ist das Elektron "delokalisiert",
d.h. seine Aufenthaltswahrscheinlichkeit (symbolisiert durch die
blauen Wolken in der Abbildung) erstreckt sich über beide Atomkerne,
wodurch die chemische Bindung zustande kommt. Durch die Wechselwirkung
mit dem Laserfeld besetzt das Elektron gleichzeitig zwei
Energiezustände des D2+-Ions (im Fachjargon heißt dieser Vorgang
"kohärente Überlagerung"). Dies hat zur Folge, dass sich die
Elektronenwolke, abhängig von der Phase des Feldes, abwechselnd mehr
auf der rechten oder der linken Seite der chemischen Bindung befindet.
Die Oszillation des Lichtfeldes zwingt das Elektron, zwischen beiden
Seiten hin und her zu schwingen. Dadurch wird die chemische Bindung
zwischen den positiv geladenen Kernen allmählich schwächer, ihr
Abstand vergrößert sich, und das Molekül wird schließlich instabil.
Wenn das Molekül in zwei Fragmente aufbricht, bleibt das Elektron an
einem der beiden Ionen hängen (das wird dann also zu einem neutralen
D-Atom), während das andere Bruchstück als positiv geladenes Ion im
Experiment nachgewiesen wird. Da die Dauer des Dissoziationsprozesses
fest steht, lässt sich also durch Wahl der Phase des Lichtfeldes
gezielt steuern, mit welchem Nukleon sich das Elektron zum Zeitpunkt
des Zerfalls zusammen tut.
Elektronentransferprozesse spielen in der Chemie und Biologie eine
außerordentlich wichtige Rolle. Schneller Elektronentransfer kann
sowohl zur Schädigung als auch zur Reparatur von DNA-Basen-Paaren
führen. Die hier für die Dissoziation von D2-Molekülen erhaltenen
Resultate könnten einen Weg aufzeigen, wie sich solche Vorgänge auch
in großen Biomolekülen durch elektrische Lichtfelder steuern lassen.
Die Möglichkeit, den Ladungstransport gezielt durch einzelne Moleküle
zu lenken, könnte auch zu einer weiteren Miniaturisierung von
Bauelementen der molekularen Elektronik führen. / O.M.
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