Dynamik von Atombindungen Mit Laseruhren auf Moleküle schießen

Wie erwischt man eine Schnecke und ein Sportwagen mit derselben Radarfalle? Eine vergleichbar schwierige Aufgabe haben Forscher der TU Wien gelöst. Mit einer neuen Laser-Methode messen sie die Dynamik von Atomkernen und den tausend- bis millionenfach schnelleren Elektronen – und das gleichzeitig.

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Technische Universität Wien

Wien – Was passiert genau, wenn ein Molekül auseinanderbricht? Solche Phänomene kann man mit kurzen Laserpulsen untersuchen. Doch bei diesen Experimenten stößt man auf ein Problem: Man hat es mit sehr unterschiedlichen Zeitskalen zu tun. Die Elektronen bewegen sich so schnell, dass man sie auf einer Skala von Attosekunden untersuchen muss (Milliardstel einer Milliardstelsekunde). Weil Protonen sowie Neutronen aber ungefähr 1836 Mal mehr wiegen als Elektronen, bewegen sich die schwereren Atomkerne des Moleküls innerhalb einer Attosekunde fast überhaupt nicht. Das Auseinanderdriften der Atome misst man in Femtosekunden oder gar Pikosekunden – tausend- bzw. millionenfach langsamer als die attosekunden-schnellen Elektronen.

Wie Schnecke und Sportwagen

Die Dynamik von Elektronen und Protonen ist so stark unterschiedlich, dass es schwierig ist, einen passenden Taktgeber zu finden, der beide Teilchensorten zuverlässig messen kann. Es ist vergleichbar mit dem Versuch, die Geschwindigkeit einer Schnecke und eines Sportwagens mit derselben Filmaufnahme zu erfassen. Bei einer klassischen Aufnahmetechnik würde man das Auto wenn überhaupt auf einem einzigen Bild aufzeichnen, während in einer Ultrazeitlupenaufnahme die Schnecke quasi unbewegt auf der Stelle bliebe.

Forscher der TU Wien haben nun eine Methode entwickelt, die beide Zeitskalen gleichzeitig zugänglich macht. Dafür verwenden sie einen elliptisch polarisierten Laserpuls, bei dem die Richtung des elektrischen Feldes wie der Zeiger einer Uhr rotiert. Die Dauer des Laserpulses ist lang genug, um das vergleichsweise langsame Auseinanderbrechen des Moleküls abbilden zu können, aber die Rotation des elektrischen Feldes – der Zeiger der Uhr – rotiert schnell genug, dass man ihn als Zeitreferenz für die ultraschnelle Dynamik der Elektronen verwenden kann. Beide Bewegungen hängen eng miteinander zusammen.

Chronik eines Bindungsbruchs

In ihren Experimenten schossen die Forscher mit einem Laserpuls auf ein Wasserstoffmolekül, welches lediglich aus zwei Protonen und zwei Elektronen besteht und sich damit als Modellmolekül eignet. Das elektrische Feld des Laserpulses reißt ein Elektron heraus. Innerhalb von Attosekunden verlässt es das Molekül und fliegt davon. Sobald ein Elektron fehlt, verändert sich auch die Bindung zwischen den beiden Wasserstoffatomen: Der Abstand zwischen den Protonen bzw. Atomkernen wächst. Wenn dann auch noch das zweite Elektron vom Laserpuls entfernt wird, stoßen die beiden Protonen einander ab und das Molekül hat sich vollständig in seine Bestandteile zerlegt.

Detektor mit Attosekunden-Genauigkeit

Scharfe Bilder von chemischen Reaktionen

Laserpuls mit Quanten-Uhrzeiger

Die Lösung lag in der Verknüpfung mehrerer Taktgeber. Der schnelle Taktgeber ist die Rotation des Lichtfeldes. „So ähnlich wie man einer Armbanduhr noch einen Sekundenzeiger hinzufügen kann, um kürzere Zeitintervalle zu messen, haben wir dem Laserpuls gewissermaßen einen Quanten-Zeiger hinzugefügt“, sagt André Staudte vom National Research Council (NRC) in Kanada, der an der Studie mitgewirkt hat.

Wie beim Uhrzeiger dreht sich die Schwingungsrichtung des elliptisch polarisierten Laserlichts im Kreis, allerdings rasend schnell, nämlich innerhalb von 2,5 Femtosekunden einmal rundherum. Diese kontinuierliche Richtungsänderung kann man nutzen, um zu untersuchen, wie die schnelle Bewegung der Elektronen mit der langsamen Bewegung der Protonen zusammenhängt. Die zeitliche Entwicklung der langsameren Protonenbewegung lässt sich aus der Energie der Protonen nach dem Molekülaufbruch ablesen, wie das Forschungsteam nachwies.

„Wir konnten zeigen, wie die Energie der Protonen mit der Kreisbewegung des Polarisationszeigers zusammenhängt“, sagt Markus Kitzler-Zeiler vom Institut für Photonik der TU Wien. „Eine wichtige Rolle spielt der genaue Zeitpunkt, zu dem die Elektronen das Molekül verlassen: Ihre Bewegung hängt davon ab, in welche Richtung der Polarisationszeiger genau in diesem Moment zeigt. Und die Elektronenbewegung entscheidet dann wiederum darüber, wie sich die Protonen bewegen. Diese Verknüpfung ermöglicht es uns, ganz unterschiedliche Bewegungsmuster von Elektronen und Protonen im Molekül während des Auseinanderbrechens zu unterscheiden.“

Präzisionsbilder der Protonenbewegung

Nach den Gesetzen der Quantenphysik hat jedes Teilchen auch Welleneigenschaften – das gilt auch für die Protonen im Molekül. Mit der neuen Methode ist es nun möglich, die Quantenwelle der Protonen mit bemerkenswerter Genauigkeit zu messen: „Wir können die Quantenwelle mit einer Auflösung von einem Pikometer messen, das ist ein Hundertstel vom Durchmesser eines Wasserstoffatoms. Die zeitliche Auflösung der Methode mit der Rotation des Lichtfeldes ist ebenfalls sehr hoch und liegt bei wenigen Attosekunden“, sagt Kitzler-Zeiler. „Wir können also extrem scharfe Bilder von der Bewegung der Protonen aufnehmen.“

Die Wiener Forscher haben mit ihren Experimenten demonstriert, dass sie mit ihrer Messmethode die sehr unterschiedlichen Zeitskalen von Elektronen und Protonenbewegung in einer einzigen Messung erfassen können. „Man kann elliptisch polarisierte Laserpulse verwenden, um elektronische und atomare Dynamik gleichzeitig sichtbar zu machen“, sagt Kitzler-Zeiler. „Wir haben dafür ein Wasserstoffmolekül verwendet, weil man dieses einfache Molekül sehr gut kennt – aber nun kann man die Methode auch für kompliziertere Moleküle anwenden. Die Präzision reicht aus, um wichtigen Fragen der Molekülphysik gezielt nachgehen zu können“, ergänzt NRC-Forscher Staudte.

Originalpublikation: V. Hanus et al.: Subfemtosecond tracing of molecular dynamics during strong-field interaction, Physical Review Letters 123 (2019); DOI: 10.1103/PhysRevLett.123.263201

* Dr. F. Aigner, Technische Universität Wien, 1040 Wien/Österreich

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