01.10.2020
Neuer Ansatz für den Blick ins Innere von Molekülen
Was passiert, wenn ein intensiver Röntgenstrahl die Bahn eines überschallschnellen Atomstrahls kreuzt? Ein deutsch-schwedisches Forschungsteam mit leitenden Autoren vom Max-Born-Institut in Berlin, der Universität Uppsala, Schweden, und European XFEL hat diese Frage mithilfe einer neuen Methode untersucht. Dabei konnten die Wissenschaftler einzelne Atome identifizieren konnten, die einen seltenen Prozess durchlaufen, der als stimulierte Raman-Streuung bezeichnet wird.
Die Ergebnisse der an der SQS-Experimentierstation (Small Quantum Systems) am European XFEL durchgeführten Studie wurden jetzt im Fachmagazin Science veröffentlicht. Sie eröffnen die Möglichkeit, die Bewegung von Elektronen in einem Atom oder Molekül zu kontrollieren. Sie könnten zur effizienten Beeinflussung von Atomen und Molekülen eingesetzt werden, um ein tieferes Verständnis der physikalischen Grundlagen zu erhalten, oder auch praktischen Anwendungen dienen, zum Beispiel in Batterien und Solarzellen.
Die Absorption und Emission eines Photons (Lichtquants) durch ein Atom sind grundlegende Prozesse der Wechselwirkung von Licht mit Materie. Viel seltener sind Prozesse, bei denen mehrere Photonen gleichzeitig mit einem Atom wechselwirken. Die Verfügbarkeit von intensiven optischen Laserstrahlen hat zur Entwicklung des Fachgebiets der "nichtlinearen Optik" geführt, in dem solche Prozesse beobachtet und genutzt werden. Die Verwendung von intensiven Röntgenstrahlen anstelle von sichtbarem Licht ermöglicht einen detaillierten Einblick in die Bewegung von Elektronen und Atomkernen in Molekülen.
"In der Regel überdecken die viel stärkeren linearen Prozesse die interessanten nichtlinearen Prozesse", erklärt Uli Eichmann vom Max-Born-Institut für Nichtlineare Optik und Kurzzeitspektroskopie, einer der leitenden Autoren der Studie. Doch obwohl nichtlineare Prozesse schwer zu identifizieren sind, ist die Photonen-Rückstoß-Bildgebung ("Photon Recoil Imaging") bezeichnete Methode in der Lage, die charakteristische Signatur, die der nichtlineare stimulierte Raman-Streuprozess hinterlässt, eindeutig zu identifizieren.
"Die neue Methode eröffnet besondere Möglichkeiten, wenn wir sie zukünftig mit zwei unabhängig kontrollierbaren Röntgenpulsen verschiedener Wellenlänge verwenden, wie man sie seit kurzem an Röntgenlasern wie dem European XFEL erzeugen kann", erklärt Michael Meyer, leitender Wissenschaftler am SQS-Instrument und Mitautor der Studie. Da Röntgenblitze mit unterschiedlichen Wellenlängen es erlauben, gezielt bestimmte Atome in einem Molekül anzusprechen, lässt sich so die Bewegung von Elektronen in Molekülen über die Zeit detailliert beobachten.
Langfristig hoffen die Wissenschaftler, diese Bewegung nicht nur beobachten, sondern auch mithilfe maßgeschneiderter Laserpulse beeinflussen zu können. "Unser Ansatz ermöglicht es, chemische Reaktionen auf atomarer Ebene zukünftig besser zu verstehen und möglicherweise sogar zu beeinflussen. Da die Verschiebung von Elektronen der essentielle Schritt in chemischen und photochemischen Prozessen ist, wie sie zum Beispiel in Batterien und Solarzellen stattfinden, kann unser Ansatz langfristig auch für solche Prozesse neue Aufschlüsse bringen", erläutert Jan-Erik Rubensson, Professor an der Universität Uppsala und ebenfalls Mitautor der Studie.
Quelle: European XFEL GmbH