Forschung & Entwicklung

Der fotoelektrische Effekt in Molekülen

Mit Attosekundenlaserpulsen lässt sich der zeitliche Ablauf des fotoelektrischen Effekts in Molekülen messen. Daraus kann auf den genauen Ort der Fotoionisation geschlossen werden.

Ein internationales Forschungsteam von Physikerinnen um Ursula Keller vom Institut für Quantenelektronik der ETH Zürich hat der experimentellen Erforschung des fotoelektrischen Effekts eine neue Dimension hinzugefügt. Mithilfe von Attosekundenlaserpulsen gelang es ihnen, einen winzigen zeitlichen Unterschied in der Herauslösung des Elektrons aus einem Molekül zu messen, je nachdem, wo sich das Elektron innerhalb des Moleküls befand.

In Atomen studiere man schon seit Längerem, wie der fotoelektrische Effekt zeitlich abläuft, sagt Doktorandin Jannie Vos, aber über Moleküle gebe es bisher nur einige wenige Arbeiten. Das liegt vor allem daran, dass Moleküle deutlich komplexer sind als einzelne Atome. Bei einem Atom wird das äußerste Elektron, das um den Atomkern kreist, von einem Lichtteilchen aus seiner Umlaufbahn katapultiert. In einem Molekül dagegen teilen sich zwei oder mehr Atomkerne dasselbe Elektron; es entsteht eine Bindung. Wo es sich aufhält, hängt vom Zusammenspiel der verschiedenen Anziehungspotenziale ab. Wie genau der fotoelektrische Effekt unter solchen Bedingungen vor sich geht, konnte erst jetzt genau untersucht werden.

Die Wissenschaftlerinnen nutzten dazu Kohlenstoffmonoxidmoleküle, die einem nur wenige Attosekunden dauernden ultravioletten Laserpuls ausgesetzt wurden. Die Energie der Ultraviolett-Photonen löste dabei ein Elektron aus den Molekülen, und diese zerfielen anschließend in ihre Einzelatome beziehungsweise in positiv geladene Ionen. Mit einem Spezialinstrument maßen die Forscherinnen dann, in welche Richtungen die Elektronen und Ionen flogen. Mithilfe eines zweiten Laserpulses konnten sie außerdem den genauen Zeitpunkt bestimmen, an dem das Elektron aus dem Molekül heraustrat.

„Auf diese Weise ist es uns erstmals gelungen, die sogenannte Stereo-Wigner-Zeitverzögerung zu bestimmen“, erklärt Laura Cattaneo aus der Arbeitsgruppe von Keller. Die Stereo-Wigner Zeitverzögerung gibt an, um wieviel früher oder später ein Elektron das Molekül verlässt, wenn es sich zum Zeitpunkt der Fotoionisation in der Nähe des Sauerstoffatoms oder aber des Kohlenstoffatoms befindet. Die extrem kurzen Laserpulse machen es möglich, diesen Zeitpunkt bis auf wenige Attosekunden genau zu messen. Daraus wiederum lässt sich bis auf ein Zehntel Nanometer der Ort der Ionisierung innerhalb des Moleküls bestimmen. Die experimentellen Ergebnisse stimmen gut mit theoretischen Vorhersagen überein, die beschreiben, wo sich ein Elektron im Moment der Fotoionisation am wahrscheinlichsten aufhält.

Als Nächstes wollen die ETH-Forscherinnen größere Moleküle analysieren, in einem ersten Schritt das Lachgas N2O. Das zusätzliche Atom in diesem Molekül macht die theoretische Beschreibung bereits deutlich schwieriger, doch gleichzeitig versprechen sich die Physikerinnen von solchen Untersuchungen auch neue Erkenntnisse etwa über die Ladungsmigration innerhalb von Molekülen, die bei chemischen Prozessen eine wichtige Rolle spielt. Im Prinzip sollte es sogar möglich sein, mithilfe von Attosekundenlaserpulsen diese Prozesse nicht nur zu untersuchen, sondern auch gezielt zu steuern und damit chemische Reaktionen im Detail zu kontrollieren.

Neben den Forscherinnen der ETH Zürich waren Wissenschaftler des Max-Born-Instituts in Berlin, des Max-Planck-Instituts für Physik komplexer Systeme in Dresden und der Australian National University in Canberra an dieser Arbeit beteiligt. Finanziert wurde das Projekt unter anderem über einen ERC Advanced Grant an Ursula Keller.

Originalveröffentlichung:

[J. Vos, L. Cattaneo, S. Patchkovskii, T. Zimmermann, C. Cirelli, M. Lucchini, A. Kheifets, A. S. Landsman, U. Keller, Orientation-dependent stereo Wigner time delay and electron localization in a small molecule, Science 360 (2018), DOI: 10.1126/science.aao4731]

von mn

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