For­schung

Attosekundenforschung, angetrieben durch den Fortschritt in der Lasertechnologie, ist eine der aufregendsten aktuellen Forschungsfelder in der Physik. Forschende in der Attosekundenphysik versuchen die Bewegung von Elektronen auf der ihr eigenen Zeitskala aufzulösen. Solche Dynamik ergibt sich aus der Erzeugung und Entwicklung von Kohärenz zwischen verschiedenen elektronischen Zuständen und entwickelt sich auf Zeitskalen von weniger als einer Femtosekunde (1 Attosekunde = 10-18 s, 1 Femtosekunde = 10-15 s). Im Gegensatz dazu basiert molekulare und chemische Dynamik auf Ortsänderungen von atomaren Zentren und funktionellen Gruppen und läuft damit typischerweise auf langsameren Zeitskalen ab, nämlich den Femtosekundenzeitskalen der Bewegung von Atomen. Nichtsdestotrotz denken wir, dass es sehr spannende und lohnende Wege gibt, auf denen Studien der Dynamik von komplexeren Molekülen, von chemischer Dynamik, und von Material- und Nanowissenschaften enorm von dem technologischen Fortschritt auf dem Feld der Attosekundenforschung profitieren kann.


La­ser-in­du­zier­te Elek­tro­nen­rück­streu­ung

Ein starkes infrarotes Laserfeld kann zu Tunneln eines Valenzelektrons (oder auch mehrerer Elektronen) in einem Molekül führen. Das freigesetzte Elektronenwellenpaket (oder die Pakete) können durch dasselbe periodische Laserfeld beschleunigt und innerhalb eines Teils einer optischen Periode zu ihrem Ausgangspunkt zurück getrieben werden, wo sie rückstreuen können (siehe Abbildung). Durch die wohldefinierte Quelle des Elektrons und die Phasenbindung des Prozesses an den optischen Zyklus ergibt sich ein hoher Elektronenstrom am Ort des Moleküls, der kurzfristig vergleichbar mit einem Strahl einer konventionellen Elektronenkanone ist.

Die Struktur des Moleküls kann daher aus der Analyse der am Molekül elastisch gebeugten, energetischen Elektronen gewonnen werden. Dies ist vergleichbar mit der Strukturabbildung mit einem konventionellen Elektronenstrahl, nur dass das Verfahren durch die Kopplung an den Laserpuls direkt zur zeitaufgelösten Spektroskopie eingesetzt werden kann. Laser-induzierte Elektronenbeugung (LIED), oft beschrieben als die Selbstabbildung eines Moleküls durch eines seiner eigenen Elektronen, ist eine der vielversprechendsten Methoden um einen molekularen Film aufzunehmen. LIED kann strukturelle Veränderungen in Molekülen, zum Beispiel während einer chemischen Reaktion, in Echtzeit abbilden.

Dieses Projekt wird durch Drittmittel der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) finanziert.


Zeit­auf­ge­lös­te Struk­tur­ab­bil­dung der Über­gangs­zu­stän­de che­mi­scher Re­ak­tio­nen

In einer chemischen Reaktion kommen sich zwei Moleküle so nah, dass chemische Bindungen zwischen Atomen gebrochen und neue Bindungen geformt werden. Die Konfigurationen während der chemischen Transformation, die nicht mehr Reaktanden aber noch keine Produkte sind, nennt man den Übergangszustand. Übergangszustandsdynamik ist eng verknüpft mit Reaktionsmechanismen und von grundlegender Bedeutung in der Chemie. Viel Arbeit wurde investiert um solche Dynamik zu verstehen, welche häufig größere Strukturumlagerungen von Atomen beinhaltet.

Jedoch bleiben viele Fragen offen, weil keine der verfügbaren spektroskopischen Techniken direkt die zeitabhängige Struktur des Übergangszustands liefern konnte. Bemühungen solche Transformationen darzustellen scheiterten bislang an einem konzeptionellen Problem: Dem Startzeit-Dilemma. In konventionellen Proben sind die Reaktanden über eine große Bandbreite an räumlichen Konfigurationen verteilt, so dass es mit einem ultrakurzen Laserpuls keine externe Kontrolle über den Zeitpunkt geben kann, zu dem die chemische Reaktion stattfindet. Wir streben an, dieses Dilemma zu lösen indem wir zwei essentielle Dinge zusammenbringen: Zunächst werden Reaktionspartner in einer wohldefinierten Ursprungskonfiguration in einem Reaktionsvorläufer eng beieinander in Stellung gebracht. Solch ein Komplex erlaubt es, die chemische Reaktion zu einer definierten Zeit mit einem Femtosekunden-Laserpuls zu starten. Weiterhin erlaubt es die durchstimmbare Wellenlänge des Laserpulses die Geschwindigkeit zu kontrollieren, mit der sich die beiden Reaktionspartner begegnen. Zweitens wird dann, als Funktion der zeitlichen Verzögerung zum ersten Laserpuls, die dreidimensionale Struktur des Übergangszustandes mit Coulombexplosion abgebildet. Coulombexplosion ist ein Werkzeug aus dem Werkzeugkasten der Attosekundenforschung: Innerhalb einer sehr kurzen Zeit, innerhalb der sich der Übergangszustand nicht bewegen kann, werden die Bindungselektronen mit einem extrem kurzen und intensiven Laser- oder Röntgenpuls entfernt, so dass sich die dann positiv geladenen atomaren Fragmente gegenseitig abstoßen. Eine experimentelle Koinzidenzmessung der Fragmentimpulse aus dem Aufbruch erlaubt es die sich entwickelnde chemische Struktur darzustellen.

Dieses Projekt wird über den Consolidator Grant ‘c-TSD-p’ des europäischen Forschungsrates (ERC) finanziert.


XUV Spek­tro­sko­pie

Durch Rekombination eines getunnelten Elektrons innerhalb einer halben Periode des Laserfelds kann man Attosekunden-Lichtblitze im XUV / weichen Röntgenbereich erzeugen. Diese ermöglichen neue Formen von Spektroskopie.