Rotation von Carbonylsulfid aufgenommen Tanz der Moleküle – der Film

Zeit ist relativ. Während für den Menschen eine Sekunde kurz ist, ist eine Sekunde im Reich der Moleküle eine Ewigkeit. Ein Molekül vollführt in dieser Zeit mehr als eine Milliarden Drehungen. Trotz dieser enormen Schnelligkeit ist es Forschern des Deutschen Elektronen-Synchrotrons DESY nun gelungen, die Rotation eines Moleküls auf Film zu bannen – mit einer theoretischen Reallaufzeit von 0, 000 000 000 125 Sekunden.

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DESY Deutsches Elektronen- Synchrotron

Hamburg – Grazil gleitet sie im Takt der Musik. Dann schwillt die Lautstärke an und die Eiskunstläuferin wirbelt in Pirouetten über die Eisfläche – so schnell, dass die Zuschauer sie kaum noch erkennen. Erst in der Zeitlupenaufnahme werden ihre einzelnen Drehungen sichtbar.

Ähnlich wie die Eiskunstläuferin rotieren auch Moleküle – jedoch ungleich schneller und komplizierter. Um diese Rotation zu filmen, sind spezielle „Kameras“ nötig. Eine solche hat das Team um DESY-Forscher Jochen Küpper vom Center for Free-Electron Laser Science (CFEL) und Arnaud Rouzée vom Berliner Max-Born-Institut eingesetzt, um die Aufenthaltswahrscheinlichkeiten rotierender Moleküle zu filmen.

Laserpulse in perfekter Choreographie

„Es ist ein langgehegter Traum in der Molekülphysik, die ultraschnellen Bewegungen von Atomen in dynamischen Prozessen zu filmen“, sagt Küpper, der auch Professor an der Universität Hamburg ist. Das ist jedoch nicht so einfach. Denn um Details im Reich der Moleküle erkennen zu können, benötigt man normalerweise energiereiche Strahlung mit einer Wellenlänge in der Größenordnung von Atomen.

Küppers Team ging daher einen anderen Weg: Die Forscher nutzten zwei zeitlich genau aufeinander abgestimmte Infrarotlaserpulse mit einem Abstand von 38 billionstel Sekunden (Pikosekunden), um die Moleküle in schnelle und gleichzeitige (kohärente) Rotation zu versetzen. Mit einem weiteren, langwelligeren Laserpuls bestimmten die Wissenschaftler dann schrittweise die Lage der Moleküle nach jeweils rund 0,2 billionstel Sekunden. „Da dieser Diagnostik-Laserpuls die Moleküle sprengt, musste der Versuch für jeden Schnappschuss neu angestoßen werden“, erklärt Evangelos Karamatskos, Hauptautor der Studie vom CFEL.

Molekül als Hauptdarsteller im wohl kürzesten Film der Welt

Für ihren Film wählten die Forscher Carbonylsulfid (OCS) als Hauptdarsteller – ein stäbchenförmiges Molekül aus je einem Sauerstoff-, Kohlenstoff- und Schwefelatom. Die Wissenschaftler nahmen insgesamt 651 Bilder auf, die anderthalb Rotationsperioden des Moleküls abdecken. Hintereinander montiert ergeben die Aufnahmen einen 125 Pikosekunden langen Film der Molekülrotation.

Für eine volle Umdrehung benötigt das Carbonylsulfid-Molekül rund 82 billionstel Sekunden. „Allerdings darf man sich die Rotation nicht wie bei einem drehenden Stock vorstellen“, betont Küpper. „Wir betrachten hier Prozesse im Reich der Quantenmechanik. Danach verhalten sich sehr kleine Objekte wie Atome und Moleküle anders als alltägliche Objekte in unserer Umgebung. Die genaue Position und der Impuls eines Moleküls können nicht zugleich mit höchster Präzision bestimmt werden, sondern zu jedem Zeitpunkt nur eine bestimmte Aufenthaltswahrscheinlichkeit, mit der das Molekül an einem Ort anzutreffen ist.“

Die Besonderheiten der Quantenmechanik zeigen sich unter anderem in vielen Bildern des Films, auf denen das Molekül nicht in eine einzelne Richtung zeigt, sondern gleichzeitig – mit verschiedenen Wahrscheinlichkeiten – in verschiedene Richtungen (siehe etwa die 3-Uhr-Position in der Grafik). „Genau diese Richtungen und Wahrscheinlichkeiten haben wir in dieser Untersuchung experimentell abgebildet“, sagt Rouzée. „Daraus, dass sich diese einzelnen Bilder nach ungefähr 82 Pikosekunden wiederholen, lässt sich auch ablesen, wie lange eine Rotationsperiode eines Carbonylsulfid-Moleküls dauert.“

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Die verwendete Untersuchungsmethode lässt sich nach Auskunft der Forscher auch bei anderen Molekülen und Prozessen nutzen, beispielsweise bei der inneren Verdrehung (Torsion) von Molekülen oder bei chiralen Verbindungen, also solchen, die zwei spiegelbildliche Formen besitzen. „Wir haben als Pilotprojekt hier einen hochaufgelösten Molekülfilm von der ultraschnellen Rotation von Carbonylsulfid aufgenommen“, fasst Karamatskos zusammen. „Gemessen an der Detailgenauigkeit, die wir dabei zeigen konnten, ließen sich mit unserer Methode aufschlussreiche Filme der Dynamik anderer Prozesse und Moleküle aufnehmen.“

Der aus Einzelbildern zusammengesetzte Film deckt etwa 1,5 Rotationsperioden des Moleküls ab. Quelle: DESY, Evangelos Karamatskos

Originalpublikation: Evangelos T. Karamatskos, Sebastian Raabe, Terry Mullins, Andrea Trabattoni, Philipp Stammer, Gildas Goldsztejn, Rasmus R. Johansen, Karol Długołęcki, Henrik Stapelfeldt, Marc J. J. Vrakking, Sebastian Trippel, Arnaud Rouzée, and Jochen Küpper: Molecular movie of ultrafast coherent rotational dynamics, Nature Communications volume 10, Article number: 3364 (2019); DOI: 10.1038/s41467-019-11122-y

* T. Schlößer: Forschungszentrum Jülich, 52428 Jülich

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