ETH-onderzoekers slaagden erin de pulsduur van een röntgenlaser te verkorten tot slechts 43 attoseconden. Met een tijdresolutie in het bereik van enkele triljoensten van een seconde, ze kunnen nu voor het eerst de beweging van elektronen tijdens chemische reacties in slow motion waarnemen.

Om de dynamiek tijdens een chemische reactie volledig te begrijpen, wetenschappers moeten alle bewegingen van atomen en moleculen op hun basistijdschaal kunnen bestuderen.

Moleculen roteren in het bereik van picoseconden (10-12 s), hun atomen trillen in het bereik van femtoseconden (10-15 s), en de elektronen bewegen in het bereik van attoseconden (10-18 s). ETH-professor Hans Jakob Wörner en zijn groep zijn er nu in geslaagd om 's werelds kortste laserpuls te genereren met een duur van slechts 43 attoseconden. Meer in het algemeen, deze laserpuls is de kortste gecontroleerde gebeurtenis die ooit door mensen is gecreëerd. De onderzoekers kunnen nu zeer gedetailleerd observeren hoe elektronen binnen een molecuul bewegen of hoe chemische bindingen worden gevormd.

Overgangstoestanden opsplitsen

Uitgaande van een infrarood laser, de onderzoekers genereren een zachte röntgenlaserpuls met een zeer grote spectrale bandbreedte. Als resultaat, verschillende elementen, waaronder fosfor en zwavel, kunnen direct worden waargenomen door hun elektronen in de binnenschil te exciteren. Beide elementen zijn aanwezig in biomoleculen, en het is nu mogelijk om ze te observeren met een ongekende tijdsresolutie.

Maar wat is het voordeel om de reactiestappen nu met nog hogere resolutie te kunnen observeren? "Hoe sneller een overboeking kan plaatsvinden, hoe efficiënter een reactie kan verlopen", zegt prof. Wörner. Het menselijk oog is bijvoorbeeld zeer efficiënt als het gaat om het omzetten van fotonen in zenuwsignalen. In rodopsine, een visueel pigment in het netvlies, het lichtgevoelige molecuul netvlies is zo geordend dat zijn structuur extreem snel kan veranderen door de absorptie van slechts een enkel foton. Dit maakt het visuele proces zelfs in de schemering mogelijk. Een veel langzamere reactie zou het zien onmogelijk maken, omdat de energie van het foton in slechts enkele picoseconden in warmte zou worden omgezet.

Attoseconde spectroscopie zou kunnen bijdragen aan de ontwikkeling van efficiëntere zonnecellen, omdat het nu voor het eerst mogelijk is om het proces van excitatie door zonlicht tot aan de opwekking van elektriciteit stap voor stap te volgen. Een gedetailleerd begrip van de ladingsoverdrachtsroute zou kunnen helpen bij het optimaliseren van de efficiëntie van de volgende generatie lichtgevoelige elementen.

Optische manipulatie van het reactieproces

Attoseconde laserspectroscopie is niet alleen geschikt voor louter observatie, Prof. Wörner legt uit. Chemische reacties kunnen ook direct worden gemanipuleerd:het gebruik van een laserpuls kan het verloop van een reactie veranderen - zelfs chemische bindingen kunnen worden verbroken door de ladingsverschuiving op een bepaalde locatie in het molecuul te stoppen. Dergelijke gerichte interventies in chemische reacties waren tot nu toe niet mogelijk, omdat de tijdschaal van elektronenbeweging in moleculen voorheen onbereikbaar was.

De groep van prof. Wörner werkt al aan de volgende generatie van nog kortere laserpulsen. Deze zullen het mogelijk maken om nog gedetailleerdere beelden op te nemen, en dankzij een breder röntgenspectrum kunnen nog meer elementen worden onderzocht dan voorheen. Binnenkort is het mogelijk om de migratie van elektronen in complexere moleculen te volgen met een nog hogere tijdsresolutie.