20.10.2022 - Ludwig-Maximilians-Universität München (LMU)

Lichtgetriebene Molekülschaukel

Chemiker und Physiker haben mit ultrakurzen Laserpulsen die Atome von Molekülen in Schwingung versetzt und die Dynamik der Energieübertragung analysiert

Trifft Licht auf Moleküle, wird es absorbiert und wieder abgegeben. Fortschritte in der Ultrakurzzeit-Laser-Technologie haben die Detailgenauigkeit bei der Untersuchung solcher Licht-Materie-Wechselwirkungen stetig verbessert. FRS, eine Laserspektroskopie-Methode, bei der das elektrische Feld von immer gleichen, sich Millionen Male pro Sekunde wiederholenden Laserpulsen nach dem Durchgang durch die Probe zeitaufgelöst aufgenommen wird, ermöglicht jetzt noch tiefere Einblicke: Ein Team unter Leitung von LMU-Chemikerin Prof. Regina de Vivie-Riedle und LMU-Physiker Ioachim Pupeza zeigte nun erstmals in Theorie und Experiment, wie in der zeitaufgelösten Spektroskopie die Moleküle die Energie des Lichtpulses in jedem einzelnen optischen Zyklus schrittweise absorbieren und anschließend über einen längeren Zeitraum wieder abgeben und dadurch in spektroskopisch verwertbares Licht konvertieren. Die Studie beleuchtet die Mechanismen, die diesen Energietransfer fundamental bestimmen.

Schaukelt ein Kind, setzt es dabei die Schaukel mit Kippbewegungen des Körpers in Bewegung, diese müssen dann mit der Schaukelschwingung synchronisiert werden. Dadurch führt es der Schaukel nach und nach Energie zu. Die Auslenkung der Schaukel erhöht sich mit der Zeit. Etwas Ähnliches passiert, wenn das elektromagnetische Wechselfeld eines kurzen Laserpulses mit einem Molekül interagiert, nur etwa 100 Billionen Mal schneller: Wenn das Wechselfeld mit den Schwingungen zwischen den Atomen des Moleküls synchronisiert ist, nehmen diese Schwingungen immer mehr Energie aus dem Lichtpuls auf, und die Schwingung verstärkt sich. Wenn die anregenden Schwingungen vorüber sind, schwingt das Molekül noch eine Weile weiter – ebenso wie eine Schaukel, nachdem die schaukelnde Person mit der antreibenden Bewegung aufgehört hat. Wie eine Antenne strahlen dann die sich bewegenden, leicht elektrisch geladenen Atome ein Lichtfeld ab. Dabei ist die Schwingungsfrequenz durch Eigenschaften des Moleküls wie atomare Massen und Bindungsstärken bestimmt, was eine Identifizierung des Moleküls ermöglicht.

"Wir können genau verfolgen, wie ein Molekül bei jeder weiteren Schwingung des Lichtfelds ein wenig mehr Energie aufnimmt", Dr. Ioachim Pupeza, Leiter des Experiments.

Forschende des attoworld-Teams an der LMU und am MPQ sowie der Abteilung für Theoretische Femtochemie des Chemie-Departments der LMU haben diese beiden Bestandteile des Lichtfeldes – einerseits die anregenden Lichtpulse und andererseits das Nachschwingen – mit zeitaufgelöster Spektroskopie unterschieden. Untersucht haben sie dabei das Verhalten von in Wasser gelösten organischen Molekülen. „Während etablierte Laserspektroskopie-Methoden meist nur das Spektrum messen und damit keine Information über die zeitliche Verteilung der Energie zulassen, kann unsere Methode genau verfolgen, wie das Molekül bei jeder weiteren Schwingung des Lichtfeldes ein wenig mehr Energie aufnimmt“, sagt Ioachim Pupeza, Leiter des Experiments. Dass die Messmethode diese zeitliche Unterscheidung zulässt, wird am besten dadurch deutlich, dass das Team das Experiment wiederholt und dabei die Dauer des anregenden Pulses geändert hat, ohne aber dessen Spektrum zu ändern. Für den dynamischen Energietransfer zwischen Licht und schwingendem Molekül macht das einen großen Unterschied: Abhängig von der zeitlichen Struktur des Laserpulses kann das Molekül dann während der Anregung mehrmals Energie aufnehmen und abgeben.

Quantenchemisches Modell aus dem Supercomputer

Um genau zu verstehen, welche Beiträge für den Energietransfer ausschlaggebend sind, haben die Forschenden ein Supercomputer-gestütztes quantenchemisches Modell entwickelt. Dieses kann die Ergebnisse der Messungen ohne Zuhilfenahme von Messwerten erklären. „Das erlaubt uns, einzelne Effekte wie die Stöße der schwingenden Moleküle mit ihrer Umgebung oder auch die dielektrischen Eigenschaften der Umgebung künstlich auszuschalten und so ihren Einfluss auf den Energietransfer aufzuklären“, erläutert Martin Peschel, einer der Erstautoren der Studie.

Am Ende ist die während des Nachschwingens wieder abgestrahlte Energie ausschlaggebend dafür, wie viel Information aus einer spektroskopischen Messung gewonnen werden kann. Die Arbeit leistet somit einen wertvollen Beitrag, um die Effizienz optischer Spektroskopien (etwa in Bezug auf molekulare Zusammensetzungen von Fluiden oder Gasen) besser zu verstehen, mit dem Ziel, diese immer weiter zu verbessern.

Fakten, Hintergründe, Dossiers

  • Quantenchemie

Mehr über LMU

  • News

    Schlüsselfaktoren für die Regeneration von Hirngewebe identifiziert

    Während sich Zellen in den meisten körpereigenen Geweben regelmäßig erneuern, bleibt die Zahl an Nervenzellen im menschlichen Gehirn oder Rückenmark konstant. Zwar können sich Nervenzellen auch im Gehirn erwachsener Säugetiere neu bilden, wie die LMU-Wissenschaftlerin Professor Dr. Magdalen ... mehr

    Geheime Struktur im Schaltplan des Gehirns

    Im Gehirn entsteht unsere Wahrnehmung durch ein komplexes Zusammenspiel von Nervenzellen, die über Synapsen miteinander verbunden sind. Doch kann die Anzahl und Stärke der Verbindungen zwischen bestimmten Neuronen-Typen variieren. Forschende des Universitätsklinikums Bonn (UKB), der Univers ... mehr

    Angeborenes Immunsystem: Der letzte Schliff für die Bakterienabwehr

    Dringen Bakterien in den Körper ein, dauert es oft nur wenige Minuten, bis das angeborene Immunsystem sie als fremd erkennt und die Immunabwehr in Gang setzt. Eine zentrale Rolle spielen dabei Rezeptoren des Immunsystems, die Bestandteile der bakteriellen Zellwand erkennen. Ein wichtiger im ... mehr

  • q&more Artikel

    Code erkannt

    Der genetische Code codiert alle Informationen, die in jeder Zelle für die ­korrekte Funktion und Interaktion der Zelle mit der Umgebung notwendig sind. Aufgebaut wird er aus vier unterschiedlichen Molekülen, den so genannten ­kanonischen Watson-Crick-Basen Adenin, Cytosin, Guanin und Thymi ... mehr

  • Autoren

    Prof. Dr. Thomas Carell

    Thomas Carell, Jg. 1966, studierte Chemie und fertigte seine Doktorarbeit am Max-Planck Institut für Medizinische Forschung unter der Anleitung von Prof. Dr. Dr. H. A. Staab an. Nach einem Forschungs-aufenthalt in den USA ging er an die ETH Zürich in das Laboratorium für Organische Chemie u ... mehr

Mehr über MPI für Quantenoptik

  • News

    Molekulare Musik ordentlich aufgedreht

    Empfindliche Tiernasen können Spurenpartikel, wie flüchtige organische Verbindungen, in der Umgebungsluft erschnuppern. Der Mensch dagegen entwickelt dafür innovative Technologien, wie etwa die optische Spektroskopie. Dabei wird mit Hilfe von Laserlicht die molekulare Zusammensetzung von Ga ... mehr

    Neuartiges Lichtmikroskop mit einer Auflösung von einigen zehn Pikometern

    Lichtmikroskope ermöglichen es uns, winzige Objekte wie lebende Zellen sehen zu können. Bislang ist es nicht möglich, die viel kleineren Elektronen zwischen den Atomen in Festkörpern zu beobachten. Wissenschaftler aus den Arbeitsgruppen von Professor Eleftherios Goulielmakis vom Institut fü ... mehr

    Unverwechselbarer molekularer Fingerabdruck

    In Organismen zirkulieren die verschiedensten Arten von Molekülen. Der Stoffwechsel lässt in den Zellen ständig verschiedenste neue Moleküle entstehen, die auch in die Umgebung, etwa in das Blut, abgegeben werden. Eines der großen Ziele der Biomedizin ist es, diesen Molekülmix detailliert z ... mehr

q&more – die Networking-Plattform für exzellente Qualität in Labor und Prozess

q&more verfolgt den Anspruch, aktuelle Forschung und innovative Lösungen sichtbar zu machen und den Wissensaustausch zu unterstützen. Im Fokus des breiten Themenspektrums stehen höchste Qualitätsansprüche in einem hochinnovativen Branchenumfeld. Als moderne Wissensplattform bietet q&more den Akteuren im Markt einzigartige Networking-Möglichkeiten. International renommierte Autoren repräsentieren den aktuellen Wissenstand. Die Originalbeiträge werden attraktiv in einem anspruchsvollen Umfeld präsentiert und deutsch und englisch publiziert. Die Inhalte zeigen neue Konzepte und unkonventionelle Lösungsansätze auf.

> mehr zu q&more

q&more wird unterstützt von: