Vrijwel alle vitale chemische processen vinden plaats in waterige oplossingen. Bij dergelijke processen spelen elektronen een beslissende rol, die worden uitgewisseld tussen verschillende atomen en moleculen en zo bijvoorbeeld chemische bindingen aangaan of verbreken. De details van hoe dat gebeurt, zijn echter moeilijk te onderzoeken omdat die elektronen erg snel bewegen.

Onderzoekers van ETH Zürich onder leiding van Hans Jakob Wörner, hoogleraar fysische chemie, zijn er in samenwerking met collega's van het Lawrence Berkeley National Laboratory (VS) nu in geslaagd de dynamiek van elektronen te bestuderen in clusters gemaakt van watermoleculen met een tijdresolutie van slechts enkele attoseconden. Hun resultaten verschenen onlangs als voorpublicatie in het wetenschappelijke tijdschrift Nature .

Tijdvertraging in ionisatie

In hun experimenten bestudeerden de wetenschappers hoe waterclusters worden geïoniseerd door een korte laserpuls in het extreme ultraviolet. Daartoe worden eerst clusters gevormd door waterdamp onder hoge druk door een klein mondstuk te persen. De energie van de extreem ultraviolette fotonen van de laserpuls zorgt er dan voor dat één elektron van het cluster vrijkomt. Dit leidt tot een vacature die ook wel een 'gat' wordt genoemd.

Het vrijkomen van het elektron vindt echter niet direct na aankomst van de puls plaats, maar na een korte vertraging. Die vertraging hangt af van hoe het elektronengat is verdeeld over de moleculen van het cluster. "Tot nu toe kon de verdeling van het gat alleen theoretisch worden berekend, omdat de vertraging veel te kort is om met traditionele methoden te meten", legt Xiaochun Gong uit, de postdoc die de leiding had over het project.

Attoseconde resolutie met twee laserpulsen

De vertraging duurt eigenlijk maar een paar attoseconden, of een paar miljardsten van een miljardste van een seconde. Om te begrijpen hoe kort een attoseconde is, kan men de volgende vergelijking maken:het aantal attoseconden in een enkele seconde is ruwweg het aantal seconden in 32 miljard jaar.

Om de extreem korte perioden van enkele attoseconden te kunnen meten, splitsten Wörner en zijn medewerkers een zeer intense infraroodlaserpuls in twee delen, waarvan er één werd omgezet in extreem ultraviolet door frequentievermenigvuldiging in een edelgas. Ze overlapten de twee pulsen en richtten beide op de waterclusters.

De infraroodpuls veranderde de energie van de elektronen die door de ultraviolette laserpuls werden uitgestoten. Met een interferometer kon de oscillerende fase van de infrarode laserpuls zeer nauwkeurig worden afgesteld. Het aantal ionisatiegebeurtenissen, gemeten met behulp van detectoren, varieerde afhankelijk van de oscillerende fase. Uit die metingen konden de onderzoekers vervolgens direct de ionisatievertraging aflezen.

"Omdat we de grootte van het oorspronkelijke watercluster voor elke ionisatiegebeurtenis konden bepalen met behulp van een massaspectrometer, konden we aantonen dat de vertraging afhangt van de grootte van het cluster", zegt Saijoscha Heck, een Ph.D. student in de groep van Wörner. Tot een clustergrootte van vier watermoleculen neemt de vertraging gestaag toe tot ongeveer honderd attoseconden. Voor vijf of meer watermoleculen blijft het echter vrijwel constant. Dit hangt samen met de hoge mate van symmetrie die kleine clusters vertonen, waardoor het elektronengat zich volgens de regels van de kwantummechanica over het hele cluster kan verspreiden. Daarentegen zijn pilstrossen nogal asymmetrisch en ongeordend en daarom lokaliseert het gat zich op een paar watermoleculen.

Toepassingen ook in halfgeleidertechnologie

"Met deze attoseconde-metingen hebben we volledig nieuwe onderzoeksmogelijkheden geopend", zegt Wörner. Hij plant al vervolgexperimenten waarin hij de dynamiek van het elektronengat zowel ruimtelijk als temporeel wil oplossen met behulp van aanvullende laserpulsen. Wörner hoopt dat dit onder meer leidt tot een beter begrip van het ontstaan ​​van stralingsschade in biologisch weefsel, aangezien de ionisatie van water daarbij een dominante rol speelt.

Maar ook buiten het onderzoek naar de elektronendynamica in water ziet Wörner verschillende mogelijke toepassingen. Om bijvoorbeeld snellere elektronische componenten te realiseren, is een diepgaand begrip van de ruimtelijke uitbreiding van elektronen- en gattoestanden en hun evolutie in de tijd onontbeerlijk. Hier zou de nieuwe techniek die is ontwikkeld door de ETH-onderzoekers zeer nuttig kunnen zijn. + Verder verkennen

Elektronenbewegingen in vloeistof gemeten in superslow motion