Röntgenlaser Der kürzeste Laserpuls der Welt

Redakteur: Sergio Caré

ETH-Forschenden ist es gelungen, die Pulsdauer eines Röntgenlasers im Labor auf nur 43 Attosekunden zu verkürzen. Mit dieser Zeitauflösung im Bereich von einigen Trillionstel Sekunden ist es nun erstmals möglich, die Bewegung von Elektronen während chemischer Reaktionen in Zeitlupe zu beobachten.

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ETH-Forschenden ist es gelungen, die Pulsdauer eines Röntgenlasers im Labor auf nur 43 Attosekunden zu verkürzen. Mit dieser Zeitauflösung ist es nun erstmals möglich, die Bewegung von Elektronen während chemischer Reaktionen in Zeitlupe zu beobachten.
ETH-Forschenden ist es gelungen, die Pulsdauer eines Röntgenlasers im Labor auf nur 43 Attosekunden zu verkürzen. Mit dieser Zeitauflösung ist es nun erstmals möglich, die Bewegung von Elektronen während chemischer Reaktionen in Zeitlupe zu beobachten.
(Bild: ETH Zürich)

Um die Dynamik während einer chemischen Reaktion vollständig zu verstehen, müssen Wissenschaftler in der Lage sein, sämtliche Bewegungen von Atomen und Molekülen auf ihren grundlegenden Zeit­skalen zu untersuchen. Moleküle 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 Wörner, Professor für Physikalische Chemie der ETH Zürich, und seiner Gruppe ist es nun gelungen, den bisher kürzesten Laserpuls der Welt mit einer Dauer von nur 43 Attosekunden zu erzeugen. Allgemein ausgedrückt handelt es sich bei diesem Laserpuls sogar um das kürzeste kontrollierte Ereignis, das je von Menschen geschaffen wurde. Die Forscher können dadurch beobachten, wie sich Elektronen innerhalb eines Moleküls verschieben oder wie chemische Bindungen im Detail entstehen.

Übergangszustände aufschlüsseln

Ausgehend von einem Infrarotlaser, erzeugen die Forscher einen weichen Röntgenlaserpuls 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 Biomolekülen vor, was es nun erlaubt, diese in nie dagewesener Zeitauflösung zu beobachten. Die Attosekundenspektroskopie mit der Möglichkeit, Ladungsverschiebungen in Echtzeit zu verfolgen, könnte auch einen Beitrag zur Entwicklung neuartiger Solarzellen mit sehr hoher Effizienz leisten, indem man den Prozess der Anregung durch Sonnenlicht bis zur Stromerzeugung Schritt für Schritt verfolgt. Dies könnte helfen, die Molekülstruktur der lichtempfindlichen Elemente in Solarzellen so zu optimieren, dass ein schnellerer und somit effizienterer Ladungstransfer ermöglicht wird.

Eingriff in Reaktionsablauf

Die Attosekunden-Laserspektroskopie eignet sich nicht nur zur reinen Beobachtung. Mit den ultrakurzen Laserpulsen lassen sich chemische Reaktionen auch direkt beeinflussen. So könnte man den Verlauf einer Reaktion abändern, indem man die Ladungsverschiebung an einer bestimmten Stelle im Molekül per Laserpuls stoppt. Solche gezielte Eingriffe in chemische Reaktionen sind bisher nicht möglich, da die Zeitskala der Elektronenbewegung in Molekülen bisher unerreichbar ist. Bereits wird an der nächsten Generation von noch kürzeren Laserpulsen geforscht. Mit ihnen lassen sich noch detailreichere Aufnahmen machen und dank eines breiteren Röntgenspektrums lassen sich mehr Elemente als bisher anregen. Es wird bald möglich sein, die Wanderung der Elektronen zu verfolgen.

Text: Joachim Schnabl

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