Geflashte Molekülexplosion
Röntgenlaser FLASH dient als eine Art Hochgeschwindigkeitskamera für die ultraschnelle Explosion von Jodmolekülen.
Um die Explosion zu starten, feuerten die Forscher um Drescher und Krikunova zunächst einen Infrarotlaser auf ein Gas aus zweiatomigen Jodmolekülen. Dieser Infrarotblitz war mit rund 120 Femtosekunden relativ lang verglichen mit den nur 35 Femtosekunden kurzen Röntgenblitzen aus dem Freie-Elektronen-Laser FLASH. „Mit dem Röntgenpuls können wir in den deutlich längeren Infrarotpuls hineinschauen“, erläutert Studienleiterin Maria Krikunova, die heute an der TU Berlin arbeitet. „Dazu müssen die Pulse allerdings exakt aufeinander abgestimmt sein, was erst der spezielle Aufbau von Theo Maltezopoulos von der Universität Hamburg und CFEL ermöglicht hat.“
Abb.: Mit seinen ultrakurzen Blitze kann der Röntgenlaser FLASH verschiedene Phasen der Molekülexplosion festhalten und dabei die Umverteilung der Elektronen beobachten. (Bild: DESY)
Wie sich zeigte, entreißt der Infrarotblitz innerhalb der zentralen 75 Femtosekunden um sein Pulsmaximum herum den Jodmolekülen gleichzeitig zwei Valenz-Elektronen. Dis trennt jedoch die chemische Bindung und das jetzt zweifach ionisierte Molekül beginnt zu zerplatzen. Mit FLASH konnten die Forscher in Echtzeit festhalten, wie sich die verbliebenen, ursprünglich nicht lokalisierten Valenz-Elektronen zwischen den beiden Jodatomen neu verteilen.
Die Abstoßung der beiden jetzt elektrisch geladenen Atome führt schließlich zur Explosion des Moleküls. Dabei entstehen auch unsymmetrische Ladungszustände, bei denen sich ein Jodmolekül in ein neutrales und ein elektrisch zweifach geladenes Jodatom teilt. Nach insgesamt rund 120 Femtosekunden sind die Moleküle zerbrochen. Da die Röntgenblitze an ganz anderer Stelle im Atom absorbiert werden als die Infrarotpulse, konnte FLASH das System beobachten, ohne den Prozess zu stören.
„Wir können hier unmittelbar zuschauen, wie sich Ladungen dynamisch umverteilen, wenn man Moleküle einem starken Lichtfeld aussetzt“, sagt Markus Drescher vom Center for Free-Electron Laser Science (CFEL). „Durch die kurzwelligen Blitze von FLASH steht uns eine Sonde für die lokale Elektronendichte zur Verfügung. Das heißt, wir wissen, ob zu einem Zeitpunkt mehr Ladungen auf dem einen oder dem anderen Atom sitzen,“ so der Hamburger Professor weiter.
DESY / OD
