04.01.2021

Kartierung kurzlebiger Zustände

Tieferer Einblick in Photosynthese und Strahlenschäden.

Ein inter­nationales Team aus Deutschland, Schweden, Russland und den USA unter der Leitung von Wissen­schaftlern des European XFEL hat Ergebnisse eines Experiments veröffent­licht, das neue Möglichkeiten zur Untersuchung von Übergangs­zuständen in Atomen und Molekülen eröffnet. Damit könnten Forscher künftig neue Einblicke in die Photokatalyse, in den Ablauf der Photo­synthese und die Entstehung von Strahlungs­schäden gewinnen. Es ist das allererste Nutzer­experiment, das an der SQS-Experimentier­station – Small Quantum System – des European XFEL in Hamburg durchgeführt worden ist.

Abb.: Blick in die Experimentierstation  AQS – Atomic-like Quantum Systems...
Abb.: Blick in die Experimentierstation AQS – Atomic-like Quantum Systems – am European XFEL in Hamburg. (Bild: XFEL)

Die Wissenschaftler verwendeten hochauflösende Elektronen­spektroskopie, um eine Momentaufnahme eines kurzlebigen Übergangs­zustands zu erhalten, der entsteht, wenn Röntgen­strahlen ein Loch in das Innerste der atomaren Elektronenwolke stanzen. Der extrem kurzlebige Übergangs­zustand von in den innersten Schalen angeregtem Neon existiert nur 2,4 Femtosekunden. „Der European XFEL ermöglicht es uns, eine hohe Anzahl von Laserpulsen pro Sekunde und eine hohe Puls­energie zu nutzen. Das bedeutet, dass wir eine sehr hohe Anzahl von Photonen auf die Probe bringen können, was für die Untersuchung solcher Übergangs-Atom­zustände entscheidend ist“, erklärt XFEL-Forscher Tommaso Mazza.

„Wir benutzten intensive Röntgenpulse, um erst die Elektronen aus einer inneren Schale eines Neon-Atoms zu entfernen, und dann mit einem zweiten Photon aus demselben Puls das ausgehöhlte Atom zu charak­terisieren“, sagt Mazza. „Es ist das erste Mal, dass Informationen über die elektronische Struktur dieses Übergangs­zustandes durch röntgen­induzierte Elektronen­spektroskopie zugänglich sind. Möglich war dies durch eine präzise Messung der Energie der nach der Anregung durch das zweite Photon emittierten Elektronen, während gleichzeitig die Wellenlänge des Röntgen­pulses kontinuierlich verändert wurde.“

Michael Meyer, leitender Wissenschaftler bei SQS, betont, dass die Ergebnisse zusammen mit einer kürzlich in der Zeitschrift Science veröffent­lichten Arbeit eine wichtige Besonderheit der SQS-Experimentierstation aufzeigen: Die Möglichkeit, Anregungen spezifischer elek­tronischer Unterschalen im Atom effizient zu kontrollieren und somit gezielt zu sondieren. „Wir können atom- oder element­spezifische Anregungen in mole­kularen Proben erzeugen und untersuchen, wie jedes einzelne Atom im Molekül die von den Lichtpulsen ausgelösten Verän­derungen beeinflusst“, sagt er. Diese ziel­gerichtete Abfrage eines spezifischen Atoms im Molekül ermöglicht es den Wissen­schaftlern, ein tieferes Verständnis des Verhaltens der einzelnen Bausteine des Moleküls unter intensiver Bestrahlung zu gewinnen.

XFEL / JOL

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