Forschung & Entwicklung

Laserinduzierte Formänderung von Fullerenen

Elektronenbeugungsaufnahmen vom Kohlenstoffmolekül C₆₀ weisen seine Verwandlung im starken Infrarotlicht nach. Dies könnte neue Anwendungen in der lichtgesteuerten Elektronik möglich machen.

Gerät das Kohlenstoffmolekül C₆₀ unter den Einfluss eines starken infraroten Lichtfeldes, ändert es seine kugelartige Form hin zu einer länglichen. Diesen Vorgang konnten Laserphysiker des Labors für Attosekundenphysik des Max-Planck-Instituts für Quantenoptik (MPQ) und der Ludwig-Maximilians-Universität (LMU) München zusammen mit Kollegen aus Japan und den USA mithilfe von laserinduzierter Elektronenbeugung beobachten.

Die Anordnung der Atome im Kohlenstoffmolekül C₆₀ erinnert an einen Fußball. Das Makromolekül hat den Beinamen Buckminster-Fulleren (auf Englisch: Buckyball). Auf solche Buckyballs ließen die Laserphysiker infrarote Femtosekundenlaserpulse auftreffen. Unter Einfluss starken Lichts veränderten die kugelartigen Makromoleküle ihre Form: Sie wurden in die Länge gezogen. Die Beobachtung dieses Phänomens gelang den Physikern durch einen Trick: Der Infrarotlaserpuls löste bei maximaler Stärke ein Elektron aus dem Molekül aus. Das Elektron wurde im intensiven Laserfeld innerhalb weniger Femtosekunden zunächst vom Molekül weg, dann wieder in seine Richtung beschleunigt, da es durch das oszillierende elektromagnetische Feld der Lichtwelle noch einmal seine Flugrichtung änderte. Schließlich streute es an dem Molekül und verließ es komplett. Die Bilder dieser so gebeugten Elektronen gaben den Forschern Aufschluss über die im Lichtfeld verzerrte Struktur.

Fullerene sind stabil, biokompatibel und verfügen über bemerkenswerte physikalische, chemische und elektronische Eigenschaften. „Das tiefere Verständnis der Wechselwirkung von Fullerenen mit ultrakurzem, intensivem Licht kann neue Anwendungen in ultraschneller, lichtgesteuerter Elektronik ermöglichen, die um viele Größenordnungen schneller wäre, als herkömmliche Elektronik“, erklärt Matthias Kling, Professor an der LMU und Leiter der Arbeitsgruppe im Team des Labors für Attosekundenphysik.

Die Methode der Vermessung der Strukturänderung des Kohlenstoffmoleküls wurde bisher nur an kleineren Systemen demonstriert und kam erstmals an einem Makromolekül zum Einsatz. Die Abbildung der nur einige zehn Femtosekunden anhaltenden Verformung des Buckyballs sei ein wichtiger Fortschritt für die laserinduzierte Elektronenbeugung. Sie bereite den Weg für die Aufnahme molekularer Filme an komplexen (Bio)-Molekülen, ergänzt Kling. Im nächsten Schritt wollen die Laserphysiker Filme über einen längeren Zeitraum anfertigen und so die Aktivität von Fullerenen noch detaillierter erkunden.

von mn

Originalveröffentlichung:

[H. Fuest, et al., Diffractive Imaging of C60 Structural Deformations Induced by Intense Femtosecond Midinfrared Laser Fields, Phys. Rev. Lett. 122 (2019), DOI: 10.1103/PhysRevLett.122.053002]

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