Der Elektronenemissionsdynamik auf der Spur

Das Weltall besteht aus einer festen Anzahl von Elementen, die alle Sorten von Molekülen bilden. Diese Moleküle sind keineswegs statisch und unveränderlich, sondern immerzu in Bewegung. Die Elektronen und Kerne sind aktiv und unterliegen komplexen dreidimensionalen Konformationsänderungen. Die Molekulardynamik bestimmt die Eigenschaften der Materialien und die Funktionen biologischer Systeme und superangeregte Zustände stellen ein Fenster zu quantenmechanischen Mechanismen dar.

Derartige Zustände können nicht in neutralen Grundzustandsmolekülen unter Einsatz konventioneller Femtosekundenlaser ausgelöst werden, deren Fähigkeiten durch deren mögliche Wellenlängen begrenzt sind. Die Wissenschaftler überwanden diese Hürde, indem sie derartige Zustände aus schnellen Strahlen negativer Ionen oder metastabilen neutralen Spezies initiierten, die energetisch näher an den superangeregten Zuständen liegen. Die EU-Finanzhilfen des Projekts "Time resolved superexcited state dynamics" (EXTREME DYNAMICS) verschafften ihnen die Möglichkeit dazu.

Ein maßgeschneiderter Laser wurde mit einem Impulsformer zur Steuerung und Optimierung der spektralen Phase ultraschneller Impulse ausgestattet. Man konstruierte einen Aufbau für schnelle Ionenstrahlen, um kalte Molekular- und Clusteranionen (durch Zugabe von Elektronen zu neutralen Spezies erzeugte negativ geladene Spezies) zu erschaffen.

Das Team integrierte dann ein System zur Photofragmentspektroskopie. Es beruht auf einem sehr hoch auflösenden Bildverarbeitungssystem und einem Zeit-Digital-Wandler. Die Ausrüstung misst die Zeit, in der Fragmente auf einen Mikrokanalplattendetektor auftreffen, und die zweidimensionalen Positionen der Fragmente auf dem Detektor. Ein speziell dafür vorgesehenes Spektrometer ermöglicht die Trennung von Produkten.

In der Anwendung des Aufbaus ergab sich ein neuartiges Mehrfach-Ablöse-Szenario. In einigen Fällen werden zwei oder mehr Elektronen vom Mutteranion-Molekül (negativ geladen) ausgestoßen. Ein Verlust der überschüssigen Elektronen, die dem Molekül eine negative Ladung verliehen haben, sowie ein oder mehrere zusätzliche von diesen ergeben kationische (positiv geladene) Produkte. Die Forscher nutzten ihre neu gebauten Instrumente zur Charakterisierung eines neuen, hocheffizienten, nicht-sequenziellen Mechanismus und bewiesen, dass er sich von einem gut etablierten Doppelionisationsmechanismus neutraler Systeme unterscheidet.

Der im Rahmen des EXTREME DYNAMICS-Projekts erreichte Fortschritt zog zahlreiche Publikationen und die Entwicklung eines neuen Kurses an der Gastgebereinrichtung sowie Workshops und Seminare an anderen Institutionen nach sich. Die Resultate werden die Modellierung, Vorhersage und letztlich die Kontrolle des Ergebnisses chemischer Reaktionen unterstützen.