Hoe kunnen onderzoekers het mechanisme van foto-ionisatie gebruiken om inzicht te krijgen in complexe moleculaire potentiaal? Deze vraag is nu beantwoord door een team onder leiding van Prof. Dr. Giuseppe Sansone van het Institute of Physics aan de Universiteit van Freiburg. De onderzoekers van Freiburg, het Max Planck Instituut voor Kernfysica in Heidelberg en groepen aan de Universidad Autonoma in Madrid/Spanje en de Universiteit van Triëst/Italië hebben hun resultaten gepubliceerd in het tijdschrift Nature Communications .

In de oorsprong van foto-ionisatie, ook wel het foto-elektrisch effect genoemd, absorbeert een atoom of molecuul één kwantum licht, meestal aangeduid als foton, uit een extern veld. De energie die in dit proces wordt geabsorbeerd, wordt overgebracht naar een elektron, dat vrijkomt en een enkelvoudig geladen ion achterlaat. In verschillende aspecten en voor verschillende toepassingen kan het effect als instantaan worden beschouwd, wat betekent dat er geen significante tijdsvertraging is tussen de absorptie van het foton en het moment waarop het elektron wordt uitgezonden. Verschillende experimenten die de afgelopen jaren zijn uitgevoerd, hebben echter aangetoond dat kleine, maar meetbare vertragingen in het bereik van attoseconden (1 as =10 ^-18 s) optreden tussen deze twee processen.

Generatie van attoseconde pulsen

"Dankzij de geavanceerde laserbronnen en speciaal ontworpen spectrometers die in ons laboratorium beschikbaar zijn, kunnen we de kortste lichtflitsen genereren van slechts enkele honderden attoseconden", legt Sansone uit. "Bovendien kunnen we de oriëntatie van eenvoudige moleculen reconstrueren wanneer ze een foton absorberen van een externe laserpuls. We hebben dergelijke pulsen gebruikt om de beweging van de elektronen te onderzoeken na de absorptie van een foton."

Elektronen ervaren paden met potentiële pieken en dalen

De onderzoekers ontdekten dat het elektron op zijn weg uit het molecuul een complex landschap ervaart dat wordt gekenmerkt door potentiële pieken en dalen. Deze worden bepaald door de ruimtelijke verdeling van de atomen waaruit het systeem bestaat. Het pad dat het elektron tijdens zijn beweging volgt, kan van invloed zijn op de tijd die nodig is om te worden bevrijd.

Uitbreiding naar complexere moleculaire systemen mogelijk

In het experiment heeft het team de tijdvertragingen gemeten die werden verzameld door de elektronen die werden uitgezonden door CF₄ moleculen in verschillende ruimtelijke richtingen werden gemeten met behulp van een attoseconde pulstrein gecombineerd met een ultrakort infraroodveld. "Door deze informatie te combineren met de karakterisering van de ruimtelijke oriëntatie van het molecuul, kunnen we begrijpen hoe het potentiële landschap en in het bijzonder potentiële pieken de tijdvertraging beïnvloeden", zegt de natuurkundige van Freiburg.

Het werk kan worden uitgebreid tot complexere moleculaire systemen en tot potentiële veranderingen op ultrakorte tijdschalen. In het algemeen, benadrukt Sansone, zou deze benadering de mogelijkheid kunnen bieden om complexe potentiële landschappen van binnenuit in kaart te brengen, met een ongekende temporele resolutie.