Door een nieuwe methode te gebruiken, natuurkundigen van het Heidelberg Max Planck Instituut voor Kernfysica hebben de ultrasnelle fragmentatie van waterstofmoleculen in intense laservelden tot in detail onderzocht. Ze gebruikten de rotatie van het molecuul dat wordt geactiveerd door een laserpuls als een 'interne klok' om de timing van de reactie te meten die plaatsvindt in een tweede laserpuls in twee stappen. Zo'n 'rotatieklok' is een algemeen begrip dat toepasbaar is op sequentiële fragmentatieprocessen in andere moleculen.

Hoe valt een molecuul uiteen in een intens laserveld en welke opeenvolgende processen vinden hoe snel plaats? Natuurkundigen van het Heidelberg Max Planck Institute for Nuclear Physics hebben deze vraag onderzocht in samenwerking met een onderzoeksgroep uit Ottawa in Canada met een nieuwe methode:het bestuderen van het voorbeeld van het waterstofmolecuul H ₂ . Om dit te doen, ze gebruiken extreem korte laserflitsen in de orde van femtoseconden (fs, een miljoenste van een miljardste van een seconde). Dergelijke laserpulsen spelen ook een sleutelrol bij het beheersen van moleculaire reacties, omdat ze de dynamiek van de elektronen die verantwoordelijk zijn voor chemische binding rechtstreeks beïnvloeden.

Als een waterstofmolecuul (H ₂ ) wordt blootgesteld aan een sterke infrarode laserflits (800 nm golflengte) van enkele 10 ¹⁴ W/cm ² intensiteit, het elektrische veld van de laser scheurt eerst een van de twee elektronen af. Bij dit ionisatieproces worden meer dan 10 fotonen tegelijk geabsorbeerd. Het resterende moleculaire ion H ₂ ⁺ met slechts één elektron is niet langer in evenwicht en wordt uitgerekt door de afstoting van de twee protonen. Door verdere fotonen te absorberen, het kan uiteenvallen in een proton (H ⁺ ) en een neutraal waterstofatoom (H). Deze reactie wordt bovendrempeldissociatie (ATD) genoemd. Als het moleculaire ion verder wordt uitgerekt tot een nucleaire afstand van enkele atoomstralen, het resterende elektron kan energie resonant absorberen door het laserveld, als in een kleine antenne, en wordt uiteindelijk ook vrijgelaten. Dit mechanisme wordt verbeterde ionisatie (EI) genoemd. Het leidt tot de 'Coulomb-explosie' van de twee afstotende protonen.

Processen onderscheiden via hun kinetische energie

De onderzoekers onderzoeken deze processen in het laserlaboratorium van het Max Planck Institute for Nuclear Physics met behulp van een reactiemicroscoop, waarmee alle geladen fragmenten (protonen, elektronen) na het uiteenvallen van het molecuul. De femtoseconde laserpulsen worden gefocusseerd op een dunne supersonische straal van waterstofmoleculen om de gewenste intensiteit te bereiken. Protonen uit de ATD- en EI-processen kunnen worden onderscheiden via hun kinetische energie.

Blijkbaar, EI kost iets meer tijd dan ATD, maar hoeveel en kan dit worden gemeten? Hier, er ontstaat een probleem omdat de laserpuls lang genoeg moet duren (ca. 25 fs) om deze processen te starten, maar moet kort genoeg zijn om nauwkeurige tijdinformatie te extraheren (een paar fs). Aangezien dit niet in één enkele laserpuls kan worden gerealiseerd, gebruikten de onderzoekers de volgende truc:elk molecuul bezit een soort 'interne klok' omdat het kan worden gestimuleerd om te roteren.

Een eerste (iets zwakkere) pomppuls prikkelt de moleculaire rotatie, gevolgd met een variabele tijdsvertraging door een tweede (iets sterkere) sondepuls die de fragmentatie activeert (ATD of EI). Beide processen zijn gevoelig voor de oriëntatie van de moleculaire as ten opzichte van het vlak waarin het elektrische veld oscilleert - ze zijn het meest waarschijnlijk voor parallelle oriëntatie. De twee laserpulsen zijn lineair loodrecht op elkaar gepolariseerd om fragmentatiegebeurtenissen van de eerste puls te sorteren.

Een algemene benadering van de controle van moleculaire dynamica

De experimentele opbrengst van ATD- en EI-evenementen vertoont een bijna regelmatige op en neer, overeenkomt met de rotatie van het molecuul. In een nadere analyse, echter, een kleine vertraging van ca. 5,5 fs wordt waargenomen voor EI in vergelijking met ATD. Dit is de typische tijd die het moleculaire ion nodig heeft om uit te rekken totdat het elektron resonant koppelt aan het laserveld. Met behulp van theoretische modelberekeningen, verdere details kunnen worden geëxtraheerd en de experimentele resultaten zijn zeer goed gereproduceerd. Het experiment is ook uitgevoerd met het zwaardere isotoop deuterium (D ₂ ). Hier, de vertraging blijkt ca. 6.5 fs. Dit is iets minder dan de verwachte waarde op basis van de massaverhouding (factor √2). De reden is de langzamere beweging van D ₂ ⁺ , die het EI-gebied bereikt na ca. 20 fs - hiervoor, er is nauwelijks tijd genoeg tijdens een laserpuls van 25 fs.

De methode van een rotatieklok kan - in principe - worden toegepast op soortgelijke meerstapsreacties in andere moleculen en vormt daarmee mogelijk zelfs de basis voor een algemene benadering van de beheersing van moleculaire dynamica.