Kohärente und hoch enantioselektive Molekülmanipulation durch Multiphotonen-Anregung mit strukturiertem Licht

• Antragsteller: Andres Ordonez, Ph.D.
• Fachliche Zuordnung: Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 543760364

Molekulare Chiralität spielt eine wichtige Rolle bei der chemischen Reaktivität, hat direkte Auswirkungen auf die pharmazeutische und agrochemische Industrie und ist eine wichtige Ressource für die Nanotechnologie. Unsere Fähigkeit, linke und rechte Enantiomere eines chiralen Moleküls mithilfe von Licht unterschiedlich zu manipulieren, ist jedoch äußerst begrenzt. Das Ziel dieses theoretischen Projekts ist es, das Potenzial intensiver und kohärenter Lichtquellen aufzudecken, um Durchbrüche in unserer Fähigkeit zur Manipulation chiraler Moleküle zu erzielen. Dieses Projekt befasst sich mit drei Richtungen: hoch enantioselektiver elektronischer Populationstransfer und Ladungsmigration sowie hoch enantioselektive optische Kräfte. Um dies zu erreichen, wird das Projekt kohärente Multiphotonenprozesse nutzen, die von IR-Femtosekundenlasern, Nahfeldern um Nanopartikel und Röntgen-Freie-Elektronen-Lasern (XFELs) angetrieben werden. Mikrowellenexperimente mit maßgeschneiderter Polarisation haben eine enantioselektive kohärente Kontrolle über die Rotationsfreiheitsgrade kalter Moleküle gezeigt. Die Ausweitung dieser Techniken auf elektronische Freiheitsgrade wäre ein wichtiger Schritt auf dem Weg zum Traum einer rein optischen, hoch enantioselektiven Photochemie. Die Bewältigung elektronischer Anregungen erfordert jedoch die Überbrückung enormer Lücken in den Energieskalen und in der Komplexität. Dies ist nicht trivial und erfordert eine sorgfältige Gestaltung des Zusammenspiels zwischen der räumlichen Struktur des Feldes und den von ihm gesteuerten Anregungspfaden. Dieses Projekt wird die Möglichkeiten intensiver IR-Femtosekundenlaser und Nahfelder um Nanostrukturen nutzen, um einen hoch enantioselektiven elektronischen Populationstransfer zu erreichen. Jüngste XFEL-Experimente haben gezeigt, dass über einen Raman-Prozess kohärente Überlagerungen von Valenzzuständen in neutralen Molekülen entstehen. In chiralen Molekülen könnten solche Prozesse zu ultraschneller enantioselektiver elektronischer Bewegung (Ladungsmigration) und der daraus resultierenden hoch enantioselektiven ladungsgerichteten Reaktivität führen. Dieses Projekt wird XFELs in Kombination mit IR-Femtosekundenlasern nutzen, um eine hoch enantioselektive Ladungsmigration zu erreichen. Die enantioselektive Kontrolle der Schwerpunktbewegung chiraler Moleküle ist eine weitere Herausforderung, die noch ungelöst ist. Eine solche Kontrolle wurde für chirale Nanopartikel (>100 nm) im linearen Bereich nachgewiesen, ihre Skalierung für einzelne Moleküle ist jedoch sehr ungünstig und alternative Mechanismen sind erforderlich. Dies würde neue Alternativen für die chirale Trennung eröffnen. Dieses Projekt wird einen theoretischen Rahmen entwickeln, um den enantioselektiven Aspekt optischer Kräfte im nichtlinearen Bereich aufzudecken, und ihn für die Trennung von Mischungen entgegengesetzter Enantiomere verwenden.

• DFG-Verfahren: Emmy Noether-Nachwuchsgruppen