Een team van onderzoekers van het Helmholtz Instituut Jena en DESY heeft de weg vrijgemaakt voor het gebruik van conventionele lasers om te observeren dat chemische bindingen uit elkaar worden gehaald. Voor hun experimenten, de wetenschappers combineerden hoogwaardige lichtgeneratie- en detectiecomponenten van de twee Helmholtz-instellingen. De resulterende opstelling vormt de basis voor het observeren van high-speed processen met een resolutie van 30 miljardste van een seconde (30 femtoseconden). In aanvulling, de opstelling is zo compact en robuust dat het als prototype kan dienen voor meetapparatuur die zelfs bij kleinere faciliteiten en universiteiten kan worden geïnstalleerd en gebruikt.

Wat gebeurt er als een chemische binding wordt verbroken? Hoe komen individuele atomen samen om een ​​molecuul te vormen, en weer los van elkaar? Het begrijpen van de dynamiek van chemische processen wordt vaak omschreven als de "heilige graal" van de fysische chemie; als je eenmaal begrijpt wat er gebeurt, je bent in staat om dergelijke bindingen te beïnvloeden en misschien zelfs volledig nieuwe materialen te ontwerpen.

Om dergelijke chemische processen met grote precisie te observeren, zijn hogesnelheidscamera's nodig met een extreem hoge temporele en ruimtelijke resolutie, zoals de röntgenvrije elektronenlaser Europese XFEL, die momenteel wordt gebouwd in de metropoolregio Hamburg en waarmee wetenschappers naar individuele moleculen en atomen kunnen kijken. Echter, een laser die kortgolvig ultraviolet licht uitstraalt, is alles wat nodig is om te zien dat chemische bindingen in kleine moleculen worden verbroken - dat en een coïncidentiedetector van het type dat is ontwikkeld voor synchrotron- en röntgenlaserexperimenten.

In hun experimenten, de Helmholtz-wetenschappers vuurden korte pulsen van XUV-licht met hoge intensiteit af op joodmethaanmoleculen (CH3I), ook wel methyljodide genoemd, bestaande uit een jodiumatoom en een methylgroep (CH3). Het licht verbrak de binding tussen de jodium- en de methylgroep, en de fragmenten van het molecuul werden gevangen en gemeten in een spectrometer. Hierdoor kon de herschikking van de elektronen in het geëxciteerde molecuul worden afgeleid, en vandaar de daaropvolgende geïnduceerde chemische processen.

De experimenten waren gebaseerd op een tafelbladlasersysteem voor licht in het zogenaamde extreme ultraviolette bereik (XUV). de laser, die werd ontwikkeld aan het Helmholtz Instituut Jena, produceert zeer korte, hoge intensiteit pulsen van XUV door eerst een puls van infraroodstraling in een optische vezel sterk te versterken, en vervolgens het genereren van oneven veelvouden van de oorspronkelijke laserfrequentie. Voor deze experimenten is een van deze zogenaamde hogere harmonische frequenties, met een golflengte van ongeveer 18 nanometer, werd geëxtraheerd met behulp van speciale optische apparaten en gebruikt voor het experiment.

"Het XUV-lasersysteem produceert lichtflitsen bestaande uit een miljoen fotonen, die maar 30 femtoseconden duren, met een pulsfrequentie tot 100 kilohertz, " legt professor Jens Limpert uit. Jan Rothhardt, die hielpen bij de ontwikkeling van de laser, voegt toe:"De combinatie van een hoge fotonenflux en een zeer hoge herhalingssnelheid in combinatie met een zeer hoge stabiliteit kwalificeert dit systeem, in principe, om gebruikersexperimenten in chemische dynamica uit te voeren."

Het gebruik van hogere harmonischen om de pulsen te produceren biedt een bijkomend ingebouwd voordeel:een chemische reactie kan worden geactiveerd door een lichtpuls geproduceerd door de laser, en vervolgens na een vaste tijd onderzocht met behulp van een puls van XUV-straling geproduceerd door dezelfde laser. "De vertraging tussen de eerste en de tweede puls kan met een hoge mate van precisie worden aangepast, ", zegt Rothhardt. Deze "pump and probe"-techniek werd nog niet gebruikt in de eerste reeks experimenten, maar is al getest en zal worden opgenomen in vervolgexperimenten.

Een tweede belangrijk onderdeel van de experimenten was een complexe monster- en detectorkamer, ontwikkeld voor gebruik in vrije elektronenlasers (FEL's), die al was ingezet in DESY's FLASH- en PETRA III-versnellers. In deze CAMP-experimentele kamer, geëxploiteerd door Daniel Rolles' groep op dat moment, het monster werd in de lichtstraal afgevuurd als een dunne straal die met supersonische snelheden reisde. De interactie met de XUV-straling vernietigde de moleculen, en de eigenschappen van de wegvliegende fragmenten werden met grote precisie gemeten in een ingebouwde spectrometer. Door toevalsmetingen konden de gevangen fragmenten worden toegewezen aan hun oorspronkelijke moleculen, en door de precieze karakterisering van de bouwstenen kan het verbreken van de binding in de tijd worden ontcijferd.

"Door de experimentele en wetenschappelijke mogelijkheden van Jena en Hamburg samen te brengen, we openen nieuwe mogelijkheden voor het observeren van chemische dynamiek, " zegt DESY-wetenschapper professor Jochen Küpper, die de aanzet gaf tot de experimenten en die ook lid is van het Center for Free-Electron Laser Science en het Hamburg Center for Ultrafast Imaging aan de Universiteit van Hamburg. DESY-wetenschapper Tim Laarmann voegt toe:"In de volgende stap, we zullen het apparaat gebruiken om pomp- en sonde-experimenten uit te voeren. In principe, deze opstelling zou ons in feite in staat moeten stellen om veel hogere temporele resoluties van minder dan één femtoseconde te bereiken, waardoor het mogelijk is om extreem snelle bewegingen van elektronen in complexe moleculen waar te nemen."