Zeitaufgelöste Abbildung der Strukturänderung von einzelnen Molekülen (mit Ortsbestimmung, Kühlung und Ausrichtung: Strukturanalyse von kurzlebigen Zwischenprodukten)

Vor mehr als 130 Jahren konnte eine Kamera zeigen, dass ein galoppierendes Pferd „fliegen“ kann, weil es sich zeitweise mit allen vier Hufen gleichzeitig in der Luft befindet. Diese Kamera konnte ein scharfes Standbild von einem sich schnell bewegenden Objekt erzeugen. Dafür muss die Belichtungszeit des Filmes kurz sein im Vergleich zur Zeitdauer der Positionsveränderung (den aufzulösenden Bewegungen), weil das Objekt sonst durch die Bewegung verwischt.
Die „galoppierenden Pferde“ dieses Experiments sind Moleküle, die ihre Struktur in so kurzer Zeit verändern können, dass der Übergang bisher nur gänzlich verschwommen abgebildet worden war. Lediglich der Anfangs- und der Endzustand sind bekannt, nicht aber die Zwischenstufen. Gerade der Entwicklungsweg wäre aber für ein besseres Verständnis und die potentielle Optimierung von Vorgängen höchst interessant.

Mit Hilfe der im Exzellenzcluster entwickelten Laser-Blitzlichtquellen (in Form von Röntgenphotonen- oder Elektronenpulsen) hoffen die Physiker scharfe Standbilder der schnellsten Strukturwandel aufnehmen zu können. Ziel ist es, ein einzelnes Molekül, frei von Störungen durch eine umgebende Herde, bei seinem „Wandeln“ wiederholbar zu beobachten.

Das beste Instrument für diese Beobachtungen ist eine Ionenfalle, in der elektrische Felder die geladenen Atome an Ort und Stelle halten. Mit Hilfe von Laserstrahlungen wird ihnen soviel Bewegungsenergie entzogen, dass sie sich regelmäßig anordnen und in einem Kristallgitter ausfrieren. Laser bringen diese Ionen zum Leuchten und so lassen sie sich genau orten. Führt man nun einem solchen Ionenkristall andere Ionen (zum Beispiel Molekül-Ionen) zu, so werden diese durch die kalten Nachbarn im Kristall mit gekühlt und konkurrieren mit ihnen um die Gitterplätze. Da sie nicht leuchten, ist auch ihre Position bekannt. (siehe Bild 1) Mit Hilfe zusätzlicher elektromagnetischer Felder versuchen die MAP-Physiker, einzelne Molekülionen aus diesem kalten Reservoir abzutrennen und sie auszurichten, so dass sie sich als Einzelmoleküle für die oben genannten Experimente einsetzen lassen.  

Ein so genannter Pump-Puls startet den Strukturwandel. Nach einer genau definierten Zeitspanne folgt ein Belichtungspuls, der dann den bis zu diesem Zeitpunkt erfolgten Wandel abbildet. Durch eine sukzessive Verlängerung der Zeitspanne zwischen Pump- und Belichtungspuls entsteht ein „Film“ des molekularen Übergangs.