Voor het eerst zijn onderzoekers erin geslaagd om selectief een molecuul te exciteren met behulp van een combinatie van twee extreem-ultraviolette lichtbronnen en ervoor te zorgen dat het molecuul dissocieert terwijl het in de loop van de tijd wordt gevolgd. Dit is een nieuwe stap in de richting van specifieke kwantummechanische controle van chemische reacties, die nieuwe, voorheen onbekende reactiekanalen mogelijk zouden kunnen maken.

De interactie van licht met materie, vooral met moleculen, speelt op veel terreinen van de natuur een belangrijke rol, bijvoorbeeld bij biologische processen zoals fotosynthese. Technologieën zoals zonnecellen maken ook gebruik van dit proces.

Op het aardoppervlak speelt vooral licht in het zichtbare, ultraviolette of infrarode regime een rol. Extreem ultraviolet (XUV) licht – straling met aanzienlijk meer energie dan zichtbaar licht – wordt geabsorbeerd door de atmosfeer en bereikt daarom het aardoppervlak niet. Deze XUV-straling kan echter in het laboratorium worden geproduceerd en gebruikt om een ​​selectieve excitatie van elektronen in moleculen mogelijk te maken.

Terwijl de individuele atomen in een molecuul door hun buitenste elektronen bij elkaar worden gehouden in een soort negatief geladen wolk – ze fungeren als een soort ‘chemische lijm’ – zijn de elektronen in de binnenste schil dichter bij een atoomkern gebonden en daarom meer gelokaliseerd in de kern. molecuul. Juist deze elektronen kunnen nu specifiek worden aangeslagen met XUV-straling. Dit maakt nieuwe chemische reactieprocessen mogelijk die van nature niet voorkomen op het aardoppervlak.

Een samenwerking van onderzoekers onder leiding van de groep van PD Dr. Christian Ott van de afdeling van Prof. Pfeifer aan het Max-Planck-Institut für Kernphysik in Heidelberg, Duitsland, is er nu in geslaagd om voor het eerst twee verschillende XUV-lichtbronnen te combineren tijd, om een ​​kwantummechanisch dissociatiemechanisme in zuurstofmoleculen tijdelijk op te lossen.

Het werk van het team is gepubliceerd in het tijdschrift Science Advances .

Om dit te bereiken worden enerzijds laserpulsen gegenereerd met het proces van High Harmonic Generation (HHG), waarbij infrarood licht door een gascel wordt geleid en daardoor wordt omgezet in XUV-straling – bijvoorbeeld bekend uit de Nobelprijs van dit jaar. Prijs voor natuurkunde. Aan de andere kant wordt een vrije-elektronenlaser (FEL) gebruikt, waarbij versnelde elektronen XUV-licht uitstralen. Beide methoden genereren XUV-pulsen met een duur van femtoseconden, een miljoenste van een miljardste van een seconde.

Doorslaggevend hierbij is dat de spectra van de twee laserpulsen heel verschillend zijn. "De HHG-pulsen hebben een zeer breed spectrum, wat betekent dat ze bestaan ​​uit licht met veel verschillende frequenties. In het zichtbare bereik zou dit kunnen worden opgevat als verschillende kleuren. De FEL-pulsen zijn daarentegen spectraal gezien veel beperkter", legt hij uit. Ph.D. student en eerste auteur van de studie Alexander Magunia.

De FEL-pulsen worden gegenereerd door de vrije-elektronenlaser in Hamburg (FLASH@DESY) en gebruikt om de elektronen van het zuurstofmolecuul in een specifieke toestand te brengen. Het is bekend dat deze toestand er vervolgens voor zorgt dat het molecuul via twee verschillende kanalen dissocieert. Hoe snel dit gebeurt, was tot nu toe echter onduidelijk. Dit komt omdat de atomen in het zuurstofmolecuul een ‘kwantumtunneling’-proces moeten doorlopen, wat exacte theoretische beschrijvingen moeilijker maakt.

Door de tweede HHG-puls met een instelbare tijdsvertraging toe te voegen aan de eerste opwindende FEL-puls, kan deze moleculaire dissociatie nu experimenteel worden vastgelegd, zoals in een snelle fotoserie. De HHG-pulsen maken het mogelijk om alle resulterende fragmenten in één keer te ‘fotograferen’ via hun spectrale absorptievingerafdrukken – een beslissende stap.

Hoe groter de tijdsvertraging tussen de twee pulsen, hoe meer moleculen al zijn vervallen. Deze toename van fragmenten stelt onderzoekers uiteindelijk in staat de duur van het proces en de respectievelijke snelheden voor de twee vervalkanalen te bepalen.

De mogelijkheid om gerichte elektronische of moleculaire processen te initiëren met FEL-pulsen en onafhankelijk een breed scala aan kwantummechanische toestandsinformatie over het molecuul of zijn individuele fragmenten uit te lezen met de breedband HHG-spectra zal het hopelijk mogelijk maken om meer vast te leggen, te begrijpen en uiteindelijk te controleren. complexe chemische reacties met licht in de toekomst.

Meer informatie: Alexander Magunia et al, Tijdoplossende toestandsspecifieke moleculaire dissociatie met XUV-breedbandabsorptiespectroscopie, Wetenschappelijke vooruitgang (2023). DOI:10.1126/sciadv.adk1482

Journaalinformatie: Wetenschappelijke vooruitgang

Aangeboden door Max Planck Society