Fragmentierung von Buckminsterfulleren gefilmt Physiker atomisieren Quantenfußbälle mit Laserstrahlen

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Kugelförmige Buckminsterfullerene gehören zu den berühmtesten Molekülen. Jetzt wurden sie einmal mehr zum Spielball von Forschern. Denn ein Team am Max-Planck-Institut für Kernphysik hat die Molekülfußbälle mit Laserpulsen beschossen und in Echtzeit per Röntgenkamera gefilmt, wie sich die Teilchen zersetzen. Die Daten dienen als Brücke zwischen Theorie und Experiment und sollen das Verständnis von Quantenprozessen in größeren molekularen Systemen erhöhen.

Die Welt kann so einfach sein – jedenfalls solange sie sich durch ein Wasserstoffatom approximieren lässt. Doch schon bei nur einem Elektron mehr, wie im Helium, wird es komplexer. Bei noch größeren Molekülen sind die Modellrechnungen entsprechend schwierig. Das hat Forscher des Max-Planck-Instituts für Kernphysik (MPIK) in Heidelberg und des Instituts für Physik komplexer Systeme (MPI-PKS) in Dresden dazu bewegt, einmal genauer hinzusehen. Sie wollten die komplexe Vielteilchendynamik in lasergetriebenen polyatomaren Molekülen besser verstehen, um künftig chemische Reaktionen mithilfe intensiver Lichtfelder gezielter zu steuern.

Forschungsobjekt: Fußbälle aus Kohlenstoff

Dazu blickten sie in Experimenten direkt in die molekularen Verformungs- und Zersetzungsprozesse eines Prototypmolekül, des berühmten fußballförmigen „Buckminsterfulleren“ C60. Dieses wurde erstmals 1985 von von Robert Curl, Harold Kroto und Richard Smalley hergestellt und auch von Physikern zweier Max-Planck-Institute, dem Institut für Kernphysik (MPIK) in Heidelberg und dem Institut für Physik komplexer Systeme (MPI-PKS) in Dresden experimentell und theoretisch untersucht.

Heute ermöglichen es ultrakurze und intensive Röntgenpulse von beschleuniger-gestützten Freie-Elektronen-Lasern (FEL), die starke Verformung von Molekülen durch Laserfelder direkt zu beobachten. Mit dem an der Linac Coherent Light Source (LCLS) des kalifornischen SLAC National Accelerator Laboratory durchgeführten Experiment haben Wissenschaftler nun zum ersten Mal die von einem starken Laser angetriebene molekulare Dynamik in C60 direkt aufgezeichnet.

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Fullerene unter Laserbeschuss

Aus der Analyse des Röntgenbeugungsmusters der zeitabhängigen Reaktion des Moleküls auf einen starken Infrarot (IR)-Laserpuls lassen sich zwei Parameter extrahieren: Der (mittlere) Radius R des Moleküls und die so genannte Guinier-Amplitude A. Letztere ist ein Maß für die Stärke des gestreuten Röntgensignals. Sie ist proportional zu N², der quadrierten (effektiven) Anzahl der Atome im Molekül, die als Streuzentren wirken. Während R direkt mit der Ausdehnung oder Verformung des Moleküls und seiner Bruchstücke zusammenhängt, enthält A Informationen über die Art und Weise des Zerbrechens, insbesondere die Größenverteilung der Fragmente.

Abbildung 2 zeigt die Ergebnisse für Bereiche von „niedrigen“ (1×10¹⁴ W/cm²) Laserintensitäten über „mittlere“ (2×10¹⁴ W/cm²) bis zu „hohen“ Intensitäten. Die Parameter R und A sind relativ zu den Werten für negative Verzögerungen angegeben, bei denen der Röntgenpuls vor dem IR-Puls eintrifft und ein intaktes C60 abbildet.

Die am MPI-PKS in Dresden durchgeführte Modellrechnung für die zeitliche Entwicklung des Moleküls (Expansion, Deformation, Fragmentierung) ist in den Filmen für die verschiedenen Intensitäten zu sehen. Die aus dem Molekül herausgelösten und durch das Laserfeld angetriebenen Elektronen sind hier als kleine blaue Kugeln dargestellt. Beispielhafte Standbilder zeigt der obere Teil der Abbildung 2.

Erst „atmen“, dann atomisiert

Bei niedrigen Intensitäten dehnt sich das Molekül aus, bevor die Fragmentierung einsetzt, was sich an der verzögerten und moderaten Abnahme der Guinier-Amplitude zeigt. Bei mittleren Intensitäten folgt auf die Ausdehnung des mit Röntgenstrahlen abgebildeten Radius eine Abnahme. Diese Signatur der Streuung an kleinen Fragmenten passt zum leicht verzögerten Abfall der Guinier-Amplitude, der anzeigt, dass ein großer Teil der Moleküle bereits zerbrochen ist.

Bei der höchsten Intensität setzt bereits in der ansteigenden Flanke des starken Laserpulses eine schnelle Expansion bei gleichzeitig abnehmender Guinier-Amplitude ein: Es werden hier praktisch alle äußeren (also chemisch bindenden) Valenzelektronen entfernt. Diese Folge des heftigen „Kicks“ durch den Laser wird auch durch die Modellrechnungen reproduziert.

Verformung von Fulleren im Licht

Fußballmolekül unter Laserbeschuss

Bei niedrigen und mittleren Intensitäten gibt es jedoch nur eine gewisse qualitative Übereinstimmung mit dem Experiment. Insbesondere sagt das Modell ein oszillierendes Verhalten sowohl im Radius als auch in der Amplitude voraus, verursacht durch ein periodisches „Atmen“ des Moleküls (siehe Filme), das in den beobachteten Daten völlig fehlt. Die Implementierung eines zusätzlichen ultraschnellen Heizmechanismus, der auf die atomaren Positionen im Molekül einwirkt, führte zu einer besseren Übereinstimmung mit dem Experiment, was zeigt, dass weitere Arbeiten, sowohl experimentell als auch theoretisch, notwendig sind, um die Wechselwirkungen von intensiven Lasern mit Materie besser zu verstehen und schließlich zu steuern.

Prüfstein für Quantenprozesse in größeren Molekülen

Die durch intensive Laserfelder angetriebene Mehrelektronendynamik stellt immer noch eine Herausforderung für die theoretische Beschreibung dar, da eine vollständige quantenmechanische Behandlung derzeit unerreichbar ist. Daher sind Röntgenfilme der Strukturdynamik wie dieser in C60 ein idealer Prüfstein für das Verständnis grundlegender Quantenprozesse in molekularen Systemen von zunehmender Größe und Komplexität, die den Weg zur Kontrolle chemischer Reaktionen mit Laserfeldern erhellen.

Originalpublikation: Kirsten Schnorr, Sven Augustin, Ulf Saalmann, Georg Schmid, Arnaud Rouzée, Razib Obaid, Andre AlHaddad, Nora Berrah, Cosmin I. Blaga, Christoph Bostedt, Manuel Cardosa-Gutierrez, Gabriella Carini, Ryan Coffee, Louis F. DiMauro, Philip Hart, Yuta Ito, Katharina Kubicek, Yoshiaki Kumagai, Jochen Küpper, Yu Hang Lai, Hannes Lindenblatt, Ruth A. Livingstone, Severin Meister, Robert Moshammer, Koji Motomura, Thomas Möller, Kaz Nakahara, Timur Osipov, Gaurav Pandey, Dipanwita Ray, Francoise Remacle, Daniel Rolles, Jan Michael Rost, Ilme Schlichting, Rüdiger Schmidt, Simone Techert, Florian Trost, Kiyoshi Ueda, Joachim Ullrich, Marc J.J. Vrakking, Julian Zimmermann, Claus Peter Schulz, Thomas Pfeifer: Visualizing the strong-field induced molecular break-up of C60 via X-ray diffraction, Science Advances 11, Vol. 11, No. 47 (2025); DOI: 10.1126/sciadv.adz1900

(ID:50636483)