Laserpuls-induzierte molekulare Bindungsbildungs-Reaktionen

Eine chemische Reaktion besteht, in der allgemeinsten Form, aus dem Bruch einer molekularen Bindung und einer darauffolgenden Bildung von neuen Bindungen, was zur Entstehung einer Verbindung führt, welche sich von den ursprünglichen Reaktanten unterscheidet. Chemische Bindungen lassen sich mit starken Laserpulsen sehr einfach zerstören. Hingegen ist es ganz allgemein schwierig die Bildung einer Bindung kontrolliert anzustossen. Jedoch hat die Laserphysik nun eine Perfektion erreicht, die es ermöglicht starke elektrische Feldformen in faktisch jeder erdenklichen Form in einem weiten Wellenlängenbereich und mit einer Dauer von bloss einer einzigen Lichtschwingung zu erzeugen. Man konnte zeigen, dass man solche Feldformen zur gezielten Steuerung von Bindungsbrüchen einsetzen kann, indem man damit direkt und gezielt die für eine chemische Bindung verantwortlichen molekularen Valenzelektronen auf ihrer natürlichen sub- Femtosekunden-Zeitskala treibt. Da die Bildung einer chemischen Bindung wohl der essentiellste Prozess in der Natur ist und letztendlich für den Ursprung des Lebens verantwortlich ist, ist es fast schon überaschend, dass diese Möglichkeiten der Lasertechnik bisher nicht auf Bindungsreaktionen angewandt wurden. Dies überascht umso mehr, da Experimente an laserinduzierten Plasmakanälen, sogenannten Filamenten, andeuten, dass starke Laserpulse in der Tat die Bildung von chemischen Bindungen einleiten können. Die Möglichkeit, die Bildung von chemischen Bindungen gezielt mit Laserpulsen kontrollieren zu können, würde ein komplett neues Forschungsfeld in der Physik und Chemie etablieren, mit möglichen Auswirkungen auf eine ganze Reihe weiterer Wissenschaftsfächer. Dieses Projekt schlägt vor, die mögliche Steuerung von Bindungsreaktionen mit starken Laserfeldern gezielt experimentell zu untersuchen. Dazu sollen Moleküle in kleinen Gas-Clustern sehr nahe zusammen gebracht werden und molekulare elektronische Prozesse gezielt mit den starken Kräften des elektrischen Feldes ultrakurzer Laserpulse getrieben werden. Im Projekt sollen drei verschiedene Laserquellen verwendet werden, welche Licht bei den drei weit auseinander liegenden Wellenlängen 0.8 m, 1.5 m und 6.1 m aussenden. Jedes dieser drei Lasersysteme ist imstande Pulse mit einer Dauer von bloss wenigen Lichtzyklen und einer reproduzierbaren Wellenform von Puls zu Puls zu generieren. Speziell die Verfügbarkeit der Wellenlänge von 6.1 m im mittleren Infrarot erlaubt es, einen hochinteressanten Schritt in einen bisher unerforschten Bereich in der Laser-Molekül Wechselwirkung zu tätigen. Im Zuge des Projektes werden wir Bindungsbruch- und Bindungsbildungs-Reaktionen hervorgerufen durch einzelne Pulse und Doppelpuls-Sequenzen mittels zweier komplementärer Methoden studieren. Die eine Methode basiert auf der Detektion der generierten molekularen Verbindungen mittels multi-hit fähiger Detektoren auf einer Puls-zu-Puls Basis. Dies erlaubt eine Filterung der Messdaten zum Nachweis, dass bestimmte molekulare Komplexe generiert wurden. Die andere Methode misst die Absorption von einzelnen Röntgen-Attosekundenimpulsen mit einer Photonenenergie rund um die K Absorptionskante von Kohlenstoff. Die Messung dieser Absorption als Funktion der Verzögerung zwischen dem die Reaktion auslösenden Laserpuls und dem Röntgenimpuls wird detaillierte Einsichten in die laser- induzierte Dynamik der Atome und Elektronen während der Reaktion erlauben.

In diesem Projekt untersuchten wir lasergesteuerte elektronische Prozesse in Molekülen mit ultrakurzen, intensiven Laserpulsen. Intensive Laserfelder sind ideale Werkzeuge für diesen Zweck. Dies deshalb, weil ihre starken elektrischen Felder nicht nur als zeitliche Referenz dienen können, sondern sogar die Möglichkeit bieten, die intra-molekularen Valenzelektronen - welche eine chemische Bindung ausmachen - auf ihrer natürlichen Zeitskala von Attosekunden (10^-18 s) treiben können. Unter Verwendung intensiver Laserpulse mit wenigen Zyklen und kontrollierbarer Feldform, sowie mit Hilfe von Mehrteilchen-Koinzidenzimpulsabbildung von Elektronen und Ionen, konnten wir in diesem Projekt eine Reihe von Methoden zur Messung und Steuerung molekularer Prozesse mit Anwendungen in Physik, Chemie und Biologie entwickeln. Zum Beispiel haben wir Methoden zur gleichzeitigen Messung der Elektronen- und Kerndynamik in Molekülen entwickelt. Die Schlüsselidee dieser Methoden besteht darin, die Rotation des elektrischen Feldvektors von elliptisch polarisiertem Laserlicht als Uhr auf der Attosekunden-Zeitskala, und die Impulseinhüllende als Zeitreferenz für die Kernbewegung zu verwenden. Die entwickelte Methode ermöglicht die Verfolgung molekularer Bindungsbruchereignisse mit einer zeitlichen Auflösung im Attosekunden- und einer räumlichen Auflösung im Pikometerbereich. Wir haben außerdem gezeigt, dass dieser Ansatz die eindeutige Zuordnung und Extraktion der Eigenschaften von zwei bestimmten Elektronen ermöglicht, die während eines Paares von Halbzyklen bei der Doppelionisation im starken Laserfeld emittiert werden. Dies eröffnet die Möglichkeit, ansonsten unzugängliche Größen wie die intramolekulare Elektronenlokalisierungsdynamik mit einer Präzision von Attosekunden in mehratomigen Molekülen zu messen. Wir untersuchten weiters die Möglichkeit, molekulare Reaktionen innerhalb von Attosekunden durch die kontrollierte Population angeregter Quantenzustände mittels feldgetriebener Ionisations- und Rekombinationsprozesse auszulösen. Dies ist ein grundlegend anderer Ansatz als die Standardmethode zum Initiieren von Molekulardynamik, bei der angeregte Zustände durch Absorption einzelner/weniger Photonen mit ultrakurzen Laserpulsen resonant populiert werden, da dieser Ansatz nur auf die Impulshüllkurve und nicht auf die Feldform empfindlich ist. Mit einem zweidimensionalen Zweifarbenfeld konnten wir die Kontrolle der Quanteneigenschaften angeregter Elektronen durch einen feldgetriebenen Attosekundenprozess demonstrieren. Darüber hinaus konnten wir zeigen, dass die Position innerhalb des Moleküls, an welcher das feldgetriebene Elektron während der Laserwechselwirkung rekombiniert, den Fragmentierungspfad eines Moleküls bestimmen kann. Beide Ergebnisse zusammen bilden somit eine neue Attosekunden-Methode zur Kontrolle molekularer Bindungsbruchereignisse. Als letztes Beispiel erwähnen wir unsere Errungenschaften, den feldgesteuerten Attosekunden-Transfer von Elektronen über Systemgrenzen hinweg zu kontrollieren. Unter Verwendung von Dimeren, das sind Quantensysteme, bei denen zwei Einheiten durch schwache Bindungskräfte in mesoskopischen Abständen voneinander gehalten werden, konnten wir zeigen, dass ein an einer Stelle freigesetztes Elektron über die Systemgrenze hinweg zum anderen System getrieben werden kann, wo es rekombinieren kann. Diese Ergebnisse sind sehr vielversprechend, da der Elektronentransfer über Systemgrenzen hinweg in vielen Bereichen ein Schlüsselprozess ist. Beispielsweise in der Biologie, wo er photoinduzierte biologische Prozesse antreibt, oder in der Chemie, wo er für photokatalytische Reaktionen verantwortlich ist.