De kwantummechanische uitwisselingsinteractie tussen elektronen, een gevolg van het Pauli-uitsluitingsprincipe, kan specifiek worden aangepast met intense infraroodlichtvelden op tijdschalen van enkele femtoseconden, zoals tijdsopgeloste experimenten met zwavelhexafluoridemoleculen laten zien. In de toekomst zou deze bevinding kunnen leiden tot bottom-up controle van chemische reacties met lasers die puur gebaseerd zijn op elektronen, de "lijm" van de chemie.

Elektronen vormen de bindingen in moleculen en spelen een beslissende rol bij chemische reacties. In atomen en moleculen zijn de elektronen gerangschikt op een reeks energieniveaus die worden gekenmerkt door kwantumgetallen. Voor hun beroep speelt de interactie van deze elektronen met elkaar - quantum mechanisch uitwisselingsinteractie genoemd - ook een belangrijke rol. Dit komt omdat elektronen zich gedragen als miniatuurgyroscopen:ze hebben een spin die in twee richtingen kan wijzen. Volgens de wetten van de kwantummechanica mogen meerdere elektronen van een molecuul nooit in alle kwantumgetallen samenvallen, daarom gaan elektronen met identiek uitgelijnde spin "elkaar uit de weg". Dit is het beroemde uitsluitingsprincipe van Pauli. Alleen elektronen met tegengestelde spin daarentegen kunnen dichter bij elkaar komen en paren vormen.

De elektronen in atomen en moleculen kunnen met licht worden aangeslagen, d.w.z. ze kunnen van een lager energieniveau naar een hoger niveau worden gebracht. De positie van de energieniveaus bepaalt welke kleuren licht worden geabsorbeerd - en deze zijn kenmerkend voor het respectievelijke atoom of molecuul, wat aanleiding geeft tot een unieke vingerafdruk in spectroscopie. Meestal geven de elektronen deze energie daarna zeer snel af, bijvoorbeeld in de vorm van licht (fluorescentie) of warmte (beweging van de kernen). Directe fotochemische reacties kunnen echter ook plaatsvinden vanuit de aangeslagen toestand van het molecuul.

De groep van Christian Ott in de divisie van Thomas Pfeifer bij de MPI for Nuclear Physics werkt aan het specifiek manipuleren van moleculen met lasers, zodat ze een bepaalde reactie ondergaan. Nu zijn ze erin geslaagd een fundamentele stap in de richting van dit doel te zetten met een lastig experiment en theoretisch model dat ze hebben ontwikkeld als onderdeel van het STRUCTURES Cluster of Excellence samen met de groep van Maurits Haverkort aan het Institute for Theoretical Physics van de Universiteit van Heidelberg.

Voor het eerst realiseerden de natuurkundigen een methode om de effectieve uitwisselingsinteractie tussen verschillende elektronen gebonden in een molecuul te beïnvloeden en te meten met twee verschillend gekleurde laserpulsen. Met behulp van zacht röntgenlicht prikkelden ze een elektron dat diep gebonden was aan het zwavelatoom in een zwavelhexafluoridemolecuul, waardoor de bewegingsstraal korte tijd naar het hele molecuul werd uitgebreid voordat het het molecuul verlaat. Als gevolg van de zogenaamde spin-baaninteractie van de daar achterblijvende diep gebonden elektronen, produceert het gat dat in het zwavelatoom wordt gevormd daardoor een karakteristieke dubbele structuur van twee lijnen die meetbaar zijn in het röntgenabsorptiespectrum. "Nu verandert de uitwisselingsinteractie van het aangeslagen elektron met dit resterende gat deze dubbele structuur echter weer", legt Patrick Rupprecht, Ph.D. student bij MPIK en eerste auteur van de studie.

Gelijktijdig bestraald intens infrarood laserlicht maakt het nu mogelijk om het aangeslagen elektron nog verder in zijn beweging te drijven:dit is polarisatie. Zoals de studie gepubliceerd in Physical Review Letters heeft aangetoond, leidt dit tot een gewijzigde effectieve uitwisselingsinteractie met het gat bij het zwavelatoom. Dit kwam in het experiment naar voren als een karakteristieke verandering in de relatieve sterkte van de twee lijnen en kan worden toegeschreven aan de symmetrie-eigenschappen van de betrokken elektronische toestanden.

"Om uitsluitend de beweging van de elektronen te bestuderen, met een verwaarloosbare invloed van de daaropvolgende nucleaire beweging, gebruikten we een ultrasnelle techniek met korte laserpulsen van slechts enkele femtoseconden", voegt groepsleider Christian Ott toe. "De metingen tonen aan dat de laser de effectieve uitwisselingsinteractie tussen de betrokken elektronen aanzienlijk beïnvloedt - en dat de mate van deze invloed kan worden gecontroleerd door de laserintensiteit." Kwantumtheoretische ab-initio-simulaties onderbouwen het resultaat, wat de weg wijst naar het gebruik van lasers als een soort fundamentele chemische reagentia die direct het kwantummechanische niveau van de bindingselektronen aanpakken. + Verder verkennen

Het foto-elektrisch effect van Einstein meten:de tijd die nodig is om een ​​elektron vrij te laten