Verwandlung im Licht

Das Kohlenstoffmolekül C₆₀, besteht aus sechzig Kohlenstoffatomen, die deren Anordnung an einen Fußball erinnert. Das Makromolekül hat den Beinamen Buckminster-Fulleren, zu Ehren des Architekten Richard Buckminster Fuller, der auf ähnliche Weise Gebäude konstruierte. Gerät das Kohlenstoff­molekül C₆₀ unter den Einfluss eines starken infraroten Lichtfelds, ändert es seine kugelartige Form hin zu einer länglichen. Diesen Vorgang konnten Forscher des Labors für Atto­sekunden­physik des MPI für Quantenoptik (MPQ) und der Uni München zusammen mit Kollegen aus Japan und den USA mit Hilfe von laser­induzierter Elektronen­beugung beobachten.

Auf solche Kohlenstoff-Bälle ließen die Wissenschaftler infrarote Femtosekunden-Laserpulse auftreffen. Unter dem Einfluss des starken Lichts veränderten die kugelartigen Makromoleküle ihre Form: Sie wurden in die Länge gezogen. Die Beobachtung dieses Phänomens gelang den Forschern durch einen Trick: Der Infrarot-Laserpuls löste bei maximaler Stärke ein Elektron aus dem Molekül heraus. 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, deren Entdeckung im Jahr 1996 mit dem Nobelpreis für Chemie ausgezeichnet wurde, 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, 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 ist ein wichtiger Fortschritt für die laser­induzierte Elektronen­beugung. Sie bereitet den Weg für die Aufnahme molekularer Filme an komplexen Molekülen“, ergänzt Kling. Im nächsten Schritt wollen die Laserphysiker Filme über einen längeren Zeitraum anfertigen und so die Aktivität von Fullerenen noch detaillierter erkunden.

MPQ / RK

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  H. Fuest et al.: Diffractive Imaging of C60 Structural Deformations Induced by Intense Femtosecond Midinfrared Laser Fields, Phys. Rev. Lett. 122, 053002 (2019); DOI: 10.1103/PhysRevLett.122.053002
• Ultrafast Imaging and Nanophotonics (M. Kling), Labor für Attosekundenphysik, Max-Planck-Institut für Quantenoptik & Ludwig-Maximilians-Universität München