Bildgebung und Kontrolle ultraschneller chemischer Reaktionen

2006 konnte eine internationale Gruppe von Wissenschaftlern, darunter auch Forscher des MPQ,^[1] das erste Mal zeigen, dass sie mit maßgeschneiderten Laserpulsen bindende Elektronen steuern und so eine chemische Reaktion kontrollieren können. Neue Verfahren der Bildgebung zeigten, wie das bindende Elektron in einem einfach positiv geladenen Deuterium-Molekül unter dem Einfluss des elektromagnetischen Laserfeldes zwischen den beiden Kernen hin und her oszilliert. Die Bindung wird dabei geschwächt und die Kerne entfernen sich voneinander, bis schließlich das Elektron an einem der beiden Kerne verbleibt und die Bindung bricht. Beim Brechen der Bindung entstehen ein D⁺-Ion und ein neutrales D-Atom, die in entgegen gesetzte Richtungen wegfliegen. Die exakte Wellenform des Laserpulses bestimmt die Oszillation der Elektronen und kontrolliert damit letztlich auch die Richtung, in die jedes der beiden Fragmente wegfliegt (siehe Schema). Eine simple Spiegelung der Wellenform des Laserpulses (im Schema angedeutet über einen Phasenshift des elektrischen Feldes von Δφ = π) führt beim Bruch der Bindung zu einer entgegengesetzten Flugrichtung der Fragmente.
Bisher konnte diese Kontrolle nur für ein leichtes, einfaches Molekül wie dem Deuterium, das nur aus zwei D-Atomen besteht, gezeigt werden. Die MAP-Wissenschaftler sind nun vor allem an der Kontrolle von größeren, komplexeren Molekülen interessiert: wie lassen sich gezielt Elektronen in Molekülen und Reaktionen mit der Wellenform von Laserpulsen steuern?

Neben der Steuerung chemischer Reaktionen ist die Bildgebung dieser schnellen Prozesse ein weiterer Schwerpunkt dieses Projekts. Hierfür setzen die Physiker ein indirektes Verfahren ein, das auf der Streuung von Elektronen basiert. Elektronen werden zunächst mit einem starken Laserfeld aus einem Molekül ausgelöst und dann vom Laserfeld auf das molekulare Ion rückbeschleunigt. Die Abbildung der gestreuten Elektronen soll Rückschlüsse auf die Struktur des Moleküls und damit ultraschnelle Schnappschüsse einer chemischen Reaktion ermöglichen.