Der kürzeste Laserpuls der Welt

Um die Dynamik w?hrend einer chemischen Reaktion vollst?ndig zu verstehen, m¨¹ssen Wissenschaftler in der Lage sein, s?mtliche Bewegungen von Atomen und Molek¨¹len auf ihren grundlegenden Zeitskalen zu untersuchen. Molek¨¹le rotieren im Pikosekundenbereich (10^-12 s), ihre Atome vibrieren im Femtosekundenbereich (10^-15 s) und die Elektronen bewegen sich im Bereich von Attosekunden (10^-18 s).

Hans Jakob W?rner, Professor f¨¹r Physikalische Chemie der ETH Z¨¹rich, und seiner Gruppe ist es nun gelungen, den bisher k¨¹rzesten Laserpuls der Welt mit einer Dauer von nur 43 Attosekunden zu erzeugen. Allgemein ausgedr¨¹ckt handelt es sich bei diesem Laserpuls sogar um das k¨¹rzeste kontrollierte Ereignis, das je von Menschen geschaffen wurde. Die Forscher k?nnen dadurch beobachten, wie sich Elektronen innerhalb eines Molek¨¹ls verschieben oder wie chemische Bindungen im Detail entstehen.

?bergangszust?nde schrittweise aufschl¨¹sseln

Ausgehend von einem Infrarotlaser erzeugen die Forscher einen weichen R?ntgenlaserpuls mit einer grossen Bandbreite. Dadurch lassen sich verschiedene chemische Elemente wie Phosphor und Schwefel direkt beobachten, indem Elektronen ihrer inneren Schalen angeregt werden. Beide Elemente kommen in Biomolek¨¹len vor, was es nun erlaubt, diese in nie dagewesener Zeitaufl?sung zu beobachten.

Doch was ist der Vorteil, die Schritte von Reaktionen jetzt mit einer solche hohen Aufl?sung beobachten zu k?nnen? ?Je schneller ein Ladungstransfer stattfinden kann, desto effizienter kann eine Reaktion ablaufen?, erkl?rt Hans Jakob W?rner. Das Auge ist zum Beispiel sehr effizient darin, Lichtteilchen, sogenannte Photonen, in Nervensignale umzuwandeln. Im Protein Rhodopsin, einem Sehpigment in der Netzhaut, ist das lichtempfindliche Molek¨¹l Retinal so angeordnet, dass sich dessen Struktur bereits durch die Absorption eines einzelnen Photons extrem schnell ver?ndern kann, was wiederum das Sehen ¨C auch im D?mmerlicht ¨C erm?glicht. Eine deutlich langsamere Reaktion w¨¹rde das Sehen verunm?glichen, weil die Energie des Photons bereits nach wenigen Pikosekunden in W?rme umgewandelt w¨¹rde.

Die Attosekundenspektroskopie mit der M?glichkeit, Ladungsverschiebungen in Echtzeit zu verfolgen, k?nnte auch einen Beitrag zur Entwicklung neuartiger Solarzellen mit einer sehr hohen Effizienz leisten, indem man den Prozess der Anregung durch Sonnenlicht bis zur Stromerzeugung Schritt f¨¹r Schritt verfolgt. Dies k?nnte helfen, die Molek¨¹lstruktur der lichtempfindlichen Elemente in Solarzellen so zu optimieren, dass ein schnellerer und somit effizienterer Ladungstransfer erm?glicht wird.

Optischer Eingriff in ablaufende Reaktionen

Die Attosekunden-Laserspektroskopie eignet sich jedoch nicht nur zur reinen Beobachtung. Mit den ultrakurzen Laserpulsen lassen sich chemische Reaktionen auch direkt beeinflussen. So k?nnte man den Verlauf einer Reaktion ab?ndern oder gar chemische Bindungen brechen, indem man die Ladungsverschiebung an einer bestimmten Stelle im Molek¨¹l per Laserpuls stoppt. Solche gezielten Eingriffe in chemische Reaktionen waren bisher nicht m?glich, da die Zeitskala der Elektronenbewegung in Molek¨¹len bisher unerreichbar war.

W?rners Gruppe arbeitet bereits an der n?chsten Generation von noch k¨¹rzeren Laserpulsen. Mit ihnen lassen sich noch detailreichere Aufnahmen machen und dank eines breiteren R?ntgenspektrums lassen sich mehr Elemente als bisher anregen. Es wird bald m?glich sein, die Wanderung der Elektronen in komplexeren Molek¨¹len mit einer h?heren Zeitaufl?sung zu verfolgen.