Moleküldynamik und elementare
chemische Reaktionen

C.2.1 | Femtosekunden-Röntgen- und Elektronenbeugung zum Studium der ultraschnellen Strukturdynamik in molekularen Systemen

C.2.2 | Zeitaufgelöste Beugung von einzelnen Molekülen mit präziser Positionierung, Kühlung und Ausrichtung: Struktur von kurzlebigen Zwischenprodukten

C.2.3 | Grundlagen photochemischer Prozesse in kondensierter Phase durch ultraschnelle Schwingungsspektroskopie

C.2.4 | Vollständige Auflösung der Elektronen- und Kerndynamik in elementaren chemischen Reaktionen durch Photoemissionsspektroskopie mit 100 as- bis 10 fs-Pulsen

C.2.5 | Optische Kontrolle konkurrierender chemischer Reaktionswege mit der Geschwindigkeit intramolekularer Bewegungen

C.2.6 | Spektroskopie und Kontrolle von hoch-korrelierten Elektronen- und Kernbewegungen in Molekülen: theoretische Betrachtung

C.2.7 | Bildgebung und Kontrolle ultraschneller chemischer Reaktionen

C.2.8 | 4D Bilder durch ultraschnelle Elektronenbeugung

Die biologische Funktionsweise von Molekülen wie Proteinen oder DNS steht in direktem Zusammenhang zu ihrer Struktur und zur räumlichen Faltung. Erst heute werden die experimentellen Voraussetzungen geschaffen, um mehr als eine gemittelte, quasi-statische Struktur zu beweisen und tatsächlich die vorhergesagten Abläufe auf der atomaren Zeitskala nachzuweisen. Nicht einmal bei einer allgegenwärtigen Flüssigkeit wie Wasser ist auf atomarer Ebene bekannt, wie die genaue Struktur und Anordnung der einzelnen Moleküle in jedem Moment aussieht. Eine leistungsfähige zeitaufgelöste Spektroskopiemethode würde Momentaufnahmen eines Moleküls liefern und die Molekülschwingungen in kondensierter Umgebung darstellen. Solche Schwingungen dauern typischerweise 20 fs, entsprechend der Geschwindigkeit der Atome im Molekül und dies ist auch die vorhergesagte Zeitskala der schnellsten Reaktionen.

Das Ziel der MAP-Forscher ist es, Molekülwechselwirkungen und chemische Reaktionen in einem Photonen-basierten "Film auf atomarer Dimension" darzustellen – also mit einer räumlichen Auflösung im Angstrom-Bereich und einer zeitlichen Auflösung bis in den Attosekundenbereich. Hierzu sollen die komplementären Methoden der Femtosekunden-Röntgen- und Elektronenbeugung, der zeitaufgelösten Infrarot-und Raman-Spektroskopie und der Photolelektronenspektroskopie mit einer Auflösung von wenigen Femtosekunden genutzt werden.

Besonders wichtig sind dabei einfache, ultraschnelle photochemische Reaktionen, die bis jetzt noch nicht in Echtzeit beobachtet wurden. Dazu gehören Elektronen- und Protonentransfer, die eine entscheidende Rolle in der Photosynthese spielen und zur Stabilität von DNS und Proteinen gegen UV-Licht beitragen. Die meisten dieser ultraschnellen Prozesse sind durch eine Wechselwirkung von Elektronen- und Kernbewegungen charakterisiert, die sich gegenseitig beeinflussen: eines der verwirrendsten und am wenigsten verstandenen Phänomene der Physik.

Die experimentellen Untersuchungen werden durch komplementäre theoretische Arbeiten im Bereich der Quanten-Dynamik und der Quanten-Kontrolltheorie vervollständigt. Damit wird es auch möglich sein, nicht nur die Echtzeitbeobachtung im Experiment zu interpretieren, sondern geeignete Szenarien für die Kontrolle und Steuerung der höchstverschränkten Elektronen- und Kernbewegung zu finden. Mit den neuen Lichtquellen in MAP können die Wissenschaftler sogar die kohärente Anregung mehrerer elektronischer Zustände erreichen und die Bewegung der elektronischen Wellenpakete mit Attosekunden-Genauigkeit steuern und verfolgen.

• Real-time observation, control and steering of the highly entangled motions of electrons and nuclei in molecules
• Atomic scale movies of elementary chemical reactions, temporal resolution approaching the attosecond regime
• Complementary information from femtosecond-resolved x-ray and electron diffraction, infrared and coherent Raman, and photo-electron spectroscopy
• Quantum-dynamics and quantum-control theory