Femtosekunden-Laser beleuchtet chirale Dynamik

Zwei Enantiomere eines chiralen Moleküls sind Spiegelbilder voneinander. Sie haben identische physikalische Eigenschaften, außer wenn sie mit chiralem Licht wechselwirken. In linearer chiroptischer Spektroskopie ist die chirale Reaktion, die oftmals als „chiraler Dichroismus“ bezeichnet wird, sehr gering, im Bereich von 10-4 - 10-5 einer normalen linearen optischen Re­aktion. Das stellt eine große Herausforderung an zeitaufgelöste Messungen dar. Eine neue Vorgehensweise zur chiroptischen Erkennung demonstriert und analysiert nun ein internationales Forscherteam unter Beteiligung des Max-Born-Instituts für Nichtlineare Optik und Kurzzeitspektroskopie in Berlin.

Der neue Ansatz basiert auf Hohe-Harmonische-Spektroskopie. Hohe­Harmonische-Erzeugung findet statt, wenn ein intensiver Femto­sekunden-Laserpuls in ein Gas fokussiert wird. Sie kann als eine Abfolge von drei Schritten verstanden werden: Ionisation in einem starken Infrarotfeld, laser-induzierte Beschleunigung des freigesetzten Elektrons, und dessen Re­kombination mit dem Mutter-Ion, alles innerhalb eines Laserzyklus. Die Rekombination führt zur Emission kohärenter Strahlung, die sich vom Ultraviolett bis hin zur weichen Röntgenstrahlung erstreckt.

Das Team untersuchte, wie die chirale Struktur des Moleküls diesen Prozess beeinflusst. Während das freigesetzte Elektron vom Laserfeld getrieben wird, geschieht das Gleiche mit dem Elektronenloch. Mehr noch, die laser­getriebene Lochbewegung ist chiral und enantio-empfindlich aufgrund der chiralen Struktur des Moleküls. Wenn das zurückkehrende Elektron mit dem Loch rekombiniert, macht die enantio-empfindliche Natur der Lochbewegung das emittierte Licht enantio-empfindlich. Infolgedessen ist eine sehr geringe Elliptizität des Antriebs-Laserfelds, im Bereich von ungefähr einem Prozent, ausreichend, um zwischen den Harmonischen, die von links- oder rechts­händigen Molekülen emittiert werden, zu unterscheiden, und zwar mit Signalen die sich um zwei bis drei Prozent unterscheiden.

Hohe-Harmonische-Erzeugung kann als Pump-Probe-Spektroskopie an­ge­sehen werden. Ionisation hat die Funktion des Pumpens und startet die Elektron-Loch-Dynamik. Rekombination dient als Sonde, die die Elektron-Loch-Dynamik mittels des emittierten Lichtes abbildet. Die Pump-Probe-Verzögerung ist durch die Schwingungen des Laserfelds, welches das Elektron antreibt, gesteuert. Die Energie des zurückkehrenden Elektrons ist davon abhängig, wieviel Zeit es im Feld verbracht hat. Daher werden Harmonische mit unterschiedlichen Energien zu unterschiedlichen Zeiten emittiert, was eine Zuordnung zwischen der Harmonischen-Ordnung und der Pump-Probe-Verzögerung erlaubt. Die große Bandbreite des harmonischen Spektrums führt zu einer sehr hohen zeitlichen Auflösung von 0,1 Femto­sekunden oder besser. Die Forscher haben diese Eigenschaft genutzt, um aus dem experimentell gemessenen chiralen Dichroismus die chirale Komponente der Lochdynamik mit einer Auflösung von 0,1 Femtosekunden zu rekonstruieren.

FVB / RK