Laserpuls beeinflusst Entstehung der Bruchstücke

Tod eines Moleküls gefilmt

Um Moleküle in ihre atomaren Bestandteile zu zerlegen, verwenden Forscher starke Laserpulse. Doch während es beim Teilen von Kuchen in zwei gleich große Stücke lediglich auf das Augenmaß ankommt, hat das "Laser-Messer" einen direkten Einfluss auf die Bruchstücke. Das konnte die Arbeitsgruppe von Prof. Reinhard Dörner kürzlich nachweisen, indem sie die Spaltung eines Wasserstoffmoleküls erstmals auf einer unvorstellbar kurzen Zeitskala "filmte". Wie die Physiker in der Fachzeitschrift Nature Communications mitteilen, ist ihre Methode robust und leistungsfähig, so dass sie künftig dazu dienen könnte, auch andere ultrakurze atomare Prozesse zu beobachten.

Die Teilung eines Wasserstoffmoleküls, bestehend aus zwei Protonen und zwei Elektronen, kann nicht "gerecht" ausgehen. Sie beginnt damit, dass eines der Elektronen durch einen kurzen, energiereichen Laserpuls aus dem Molekül heraus katapultiert wird. Das verbleibende Elektron verbindet sich dann mit einem der Protonen zu einem Wasserstoffatom, während das andere Proton leer ausgeht. "Man könnte meinen, dass es dem Zufall überlassen ist, wo das Elektron landet. Tatsächlich wird es aber durch das Laserlicht gesteuert", erklärt Dörner.

Dieser Prozess läuft so schnell ab, dass er bisher nicht beobachtet werden konnte. Deshalb kamen Dörner und seine Mitarbeiter auf die Idee, das schwingende Lichtfeld des Lasers selbst als ultraschnelles und ultrapräzises Uhrwerk zu verwenden. "Eine Umdrehung dieser Uhr dauert 2,7 Femtosekunden, also 2,7 Millionstel einer Milliardstel Sekunde. Eines der beiden Elektronen aus dem Wasserstoff dient als Uhrzeiger, den wir mit COLTRIMS ablesen", so Dörner. COLTRIMS ist ein in Frankfurt entwickeltes Reaktionsmikroskop, mit dem man die Richtung und Energie aller geladenen Fragmente eines solchen Prozesses rekonstruieren kann. Dank dieser Technik konnten die Physiker jedem Molekülfragment die Zeit seiner Entstehung zuordnen und damit die Einzelbilder in der richtigen zeitlichen Reihenfolge zu einem Film zusammensetzen.

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Publikation:

Ultraschnelle Filmkamera: Der Laserpuls (orange Spirale im Vordergrund) spaltet das Molekül und dient gleichzeitig als ultraschnelles Uhrwerk. Die einzelnen Bilder des zerbrechenden Moleküls werden auf der linken blauen Platte aufgenommen, während der Zeitpunkt des Entstehens auf der rechten roten Platte (mit Uhr) registriert wird.

J. Wu et. al.: Understanding the role of phase in chemical bond breaking with coincidence angular streaking, in: nature communications, 19.7.2013, DOI: 10.1038/ncomms3177.

Informationen:

Prof. Reinhard Dörner, Institut für Kernphysik, Campus Riedberg, doerner@atom.uni-frankfurt.de

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