Abbildung elektronischer Strukturänderungen in Molekülen mittels maßgeschneiderter Laserfelder

• Antragsteller: Dr. Matthias Kübel
• Fachliche Zuordnung: Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen
• Förderung: Förderung seit 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 437321733

Die Wechselwirkung von Molekülen mit Licht ist von existenzieller Bedeutung für das Leben auf der Erde. Die Absorption von Photonen durch ein Molekül kann dessen Elektronen und/oder Kerne in Bewegung versetzen und chemische Reaktionen auslösen. Die gekoppelte Bewegung innerhalb des Moleküls auf mikroskopischen Zeit- und Längenskalen zu verstehen, ist ein aktuelles Forschungsfeld, das von gemeinsamen Interesse für Physik, Chemie und Biologie ist. Die vollständige quantenmechanische Beschreibung chemischer Reaktionen einzelner Molekül übersteigt jedoch das aktuell machbare. Die Entwicklung geeigneter theoretischer Methoden und der Fortschritt des Forschungsfeldes hängen daher von Experimenten ab, die idealerweise sowohl auf Kern- wie auch Elektronendynamik empfindlich sind. Ein wichtiges experimentelles Werkzeug sind dabei Femtosekunden-Laserpulse, welche Zeitlupenaufnahmen von Kernbewegung oder die Manipulation chemischer Reaktionen ermöglichen. In den letzten Jahren haben Fortschritte in der Lasertechnologie zu neuen experimentellen Werkzeugen geführt. Mit Attosekunden-Laserpulsen lassen sich Beobachtungen mit unerreichter Zeitauflösung durchführen. Phasenstabile Laserpulse im sichtbaren bis mittlerem infrarotem Spektralbereich ermöglichen das Schalten starker elektrischer Felder auf der Zeitskala der Elektronen- und Kernbewegung. Daraus ergeben sich neuartige experimentelle Möglichkeiten. Im hier beantragten Projekt sollen neue Methoden zur Abbildung lichtinduzierter Elektronen- und Kernbewegung entwickelt werden. Als Ansatz dient eine einzigartige Kombination ultrakurzer, phasenstabiler Laserpulse in unterschiedlichen Spektralbereichen, welche jeweils auf eine bestimmte Rolle im Experiment maßgeschneidert werden. Mit dem neu entwickelten Verfahren wird es möglich werden, die transiente Elektronendichte innerhalb eines Moleküls abzubilden. In Kombination mit einem Reaktionsmikroskop werden zeitaufgelöste Aufnahmen der Bewegung der Atomkerne und der Elektronendichte angefertigt werden. Beispielsweise wird gefilmt, wie sich die Elektronendichte nach optischer Anregung oder lokalisierter Tunnelionisation im Molekül bewegt, und wie Elektronen- und Kernbewegung voneinander abhängen, wenn eine chemische Bindung bricht oder umgeordnet wird. Ich erwartete, dass die Ergebnisse wertvolle Beiträge für das mikroskopische Verständnis der schnellsten Prozesse während chemischer Reaktionen liefern.

• DFG-Verfahren: Emmy Noether-Nachwuchsgruppen
• Internationaler Bezug: Kanada
• Großgeräte: COLTRIMS ; Optical parametric amplifier (OPA)
• Gerätegruppe: 0390 Sonstige Geräte der Atom- und Kernphysik (außer 020-038 und 610-619) ; 5700 Festkörper-Laser
• Kooperationspartner: Professor Dr. Michael Spanner