Molekulare Dynamik in Echtzeit

Ein europäisches Forschungsteam hat ein neuartiges spektroskopisches Verfahren entwickelt, mit dem sich ultraschnelle dynamische Prozesse von Elektronen und Schwingungen innerhalb von Molekülen verfolgen lassen – und zwar mit atomarer Auflösung und in Echtzeit. Das experimentelle Team in Barcelona wurde bei der theoretischen Beschreibung der Prozesse durch ein Team der Universität Jena unterstützt. Die Forscher demonstrieren ihre Attosekunden-Kernspektroskopie am Beispiel des Furan-Moleküls.

Chemische Reaktionen sind komplexe Mechanismen. Daran beteiligt sind verschiedene dynamische Prozesse der Elektronen und der Atomkerne, die sich wechselseitig beeinflussen. Sehr oft führt eine stark gekoppelte Elektronen- und Kerndynamik zu ultraschnellen strahlungslosen Relaxationsprozessen, die als konische Überschneidungen bekannt sind. Bislang lassen sich solche Prozesse, die von hoher chemischer und biologischer Relevanz sind, jedoch experimentell nur sehr schwer beobachten. Der Grund: Die Bewegungen der Elektronen und der Atomkerne sind nur schwer voneinander zu unterscheiden und laufen auf ultraschnellen Zeitskalen ab, bis herunter in den Attosekundenbereich.

Ein Forschungsteam des Institute of Photonic Sciences in Barcelona sowie der Uni Jena haben jetzt ein leistungsfähiges Werkzeug vorgestellt, das solche molekularen Dynamiken in Echtzeit erfassen kann. Die Forscher haben ihre Methode an der Dynamik des Furan-Moleküls in der Gasphase gemessen. Furan ist ein organisches Molekül, das aus Kohlenstoff, Wasserstoff und Sauerstoff besteht, wobei die Atome in einer planaren fünfeckigen Geometrie angeordnet sind. Furan ist ein prototypisches Beispiel chemischer Ringverbindungen, die in zahlreichen Alltagsprodukten wie Kraftstoffen, Pharmazeutika oder Agrochemikalien vorkommen.

Dem Team ist es gelungen, Details einer Ringöffnungsdynamik von Furan zeitlich aufzulösen, also die Spaltung der Bindung zwischen einem Kohlenstoffatom und dem Sauerstoffatom, was die Ringstruktur aufbricht. Dafür wurde das Furan-Molekül zunächst durch einen Laserstrahl angeregt. Mit einem darauffolgenden, schwächeren Attosekunden-Puls konnten die Forscher die durch die Anregung ausgelösten Veränderungen im Molekül beobachten.

Nach der initialen Lichtanregung konnten die erwarteten Kopplungsregionen zwischen verschiedenen Zuständen, den konischen Durchschneidungen, zeitlich lokalisiert werden, indem die Veränderungen des Absorptionsspektrums in Abhängigkeit von der Verzögerung zwischen Anregung und Abfragepuls analysiert wurden. Das Auftreten und Verschwinden von Absorptionsmerkmalen liefern Signaturen für die Änderungen des elektronischen Zustands von Furan.

So konnten die Forscher zum ersten Mal zeigen, dass eine Quantenüberlagerung zwischen verschiedenen elektronischen Zuständen erzeugt wird – ein elektronisches Wellenpaket – die sich in Form von Quantenbeats manifestiert. Auch die eigentliche Ringöffnung über dunkle Zustände konnte mit dem experimentellen Aufbau demonstriert werden. Der Übergang des Moleküls von einer geschlossenen zu einer offenen Ringgeometrie spiegelt sich in einem veränderten Absorptionsspektrum wider. Schließlich kehrte das Molekül in seinen elektronischen Grundzustand zurück, dessen Übergang ebenfalls genau zeitaufgelöst wurde.

Das Team hebt hervor, dass die Attosekunden-Kernspektroskopie nicht nur auf Untersuchungen dieses speziellen Moleküls beschränkt ist, sondern sich als Werkzeug für vielfältige Anwendungen eignet. So könnten damit komplexe Dynamiken analysiert werden, wie sie etwa bei der Wechselwirkung von ultravioletter Strahlung und DNA auftreten. Darüber hinaus sehen die Forschenden die Manipulation von chemischen Reaktionsabläufen als eine der vielversprechendsten Anwendungen für ihre Arbeit.

U. Jena / RK