Forschung

Photoionisation liefert Einblicke in komplexe molekulare Potenziale

17.03.2022 - Komplexe Wege beeinflussen Zeitverzögerung in der Ionisation von Molekülen.

Wie können Wissenschaftler den Mechanismus der Photo­ionisation nutzen, um Einblicke in komplexe molekulare Potentiale zu gewinnen? Diese Frage konnte jetzt ein Team um Giuseppe Sansone von der Uni Freiburg beantworten. Bei dem Ursprung der Photo­ionisation, auch photo­elektrischer Effekt genannt, absorbiert ein Atom oder ein Molekül ein Photon aus einem äußeren Feld. Die dabei absorbierte Energie wird auf ein Elektron übertragen, das freigesetzt wird und ein einfach geladenes Ion zurücklässt. Unter verschiedenen Gesichts­punkten und für verschiedene Anwendungen kann der Effekt als unmittelbar angesehen werden, es gibt also keine nennens­werte Zeit­ver­zögerung zwischen der Absorption des Photons und dem Zeitpunkt, zu dem das Elektron emittiert wird. Mehrere in den letzten Jahren durch­ge­führte Experi­mente haben jedoch gezeigt, dass zwischen diesen beiden Prozessen winzige, aber messbare Verzöge­rungen im Atto­sekunden­bereich auftreten.

„Dank der fortschrittlichen Laser­quellen und der speziell entwickelten Spektrometer, die in unserem Labor zur Verfügung stehen, können wir extrem kurze Lichtblitze erzeugen, die nur wenige hundert Atto­sekunden dauern“, erklärt Sansone. „Außerdem können wir die Ausrichtung einfacher Moleküle rekon­stru­ieren, wenn sie ein Photon aus einem externen Laserpuls absorbieren. Wir haben solche Pulse verwendet, um die Bewegung der Elektronen nach der Absorption eines Photons zu unter­suchen.“

Dabei fanden die Forscher heraus, dass das Elektron auf seinem Weg aus dem Molekül heraus eine komplexe Landschaft durchläuft, die von Potenzial­spitzen und -tälern geprägt ist. Diese werden von der räum­lichen Verteilung der Atome, aus denen das System besteht, bestimmt. Der Weg, den das Elektron während seiner Bewegung zurück­legt, kann die Zeit beein­flussen, die es braucht, um wieder frei zu werden.

In dem Experiment hat das Team um Sansone die Zeit­ver­zöge­rungen gemessen, die die von den CF4-Molekülen in verschiedenen räumlichen Richtungen emit­tierten Elektronen mit Hilfe eines Atto­sekunden-Pulszugs in Kombi­nation mit einem ultrakurzen Infrarotfeld aufholen. „Durch die Kombination dieser Infor­ma­tionen mit der Charakte­ri­sierung der räum­lichen Ausrichtung des Moleküls können wir verstehen, wie die Potenzial­land­schaft und insbesondere die Potenzial­spitzen die Zeit­ver­zögerung beein­flussen", sagt der Forscher.

Die Arbeit kann auf komplexere molekulare Systeme und auf Potenziale, die sich auf ultra­kurzen Zeitskalen ändern, ausgeweitet werden. Generell biete dieser Ansatz die Möglichkeit, betont Sansone, komplexe Potenzial­land­schaften von innen heraus mit einer noch nie dagewesenen zeitlichen Auflösung abzubilden.

ALU Freiburg / RK

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