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Archiv: Highlights am MBI
Highlights 2012
   
 

Klein und effizient - Wasser-Nanotröpfchen kühlen Biomoleküle ultraschnell

 

Forscher des Max-Born-Instituts in Berlin haben beobachtet wie Biomoleküle innerhalb von 1 ps thermische Energie in kleinste Wassertropfen in ihrer Umgebung übertragen. Hierfür ist eine aus nur 3 Wassermolekülen bestehende Hülle um ein Phospholipidmolekül ausreichend.

28. November 2012

Biochemische Prozesse laufen überwiegend in wässriger Umgebung ab. Dabei werden bestimmte Gruppen eines Biomoleküls in eine Hülle aus Wassermolekülen eingebettet, d.h. hydratisiert. Die Wasserhülle stabilisiert die biomolekulare Struktur und ermöglicht den Energieaustausch zwischen Biomolekül und Umgebung. Beispiele für derartige Systeme sind die DNS-Doppelhelix, der Träger genetischer Information, in wässriger Umgebung, und die aus Phospholipiden bestehende äußere Membran lebender Zellen. Die molekularen Mechanismen, die Geschwindigkeit und Effizienz des Energieaustausches zwischen Biomolekül und Wasserhülle bestimmen, sind erst in Ansätzen verstanden und deshalb Gegenstand aktueller Forschung.

Forscher des Max-Born-Instituts haben jetzt gezeigt, dass kleinste Wasser-"Tröpfchen" in der Umgebung eines Lipidmoleküls einen Energietransfer im Zeitbereich unterhalb 1 ps, d.h. in weniger als 1 Millionstel einer Millionstel Sekunde ermöglichen. Wie René Costard, Christian Greve, Ismael Heisler und Thomas Elsässer in der neuesten Ausgabe der Zeitschrift Journal of Physical Chemistry Letters (Band 3, Seite 3646, 2012) berichten, reichen 3 an die Phosphatgruppe des Lipids gekoppelte Wassermoleküle aus, um Schwingungsenergie aus dem Lipid effizient zu übertragen und in thermische Energie der Wasserhülle zu verwandeln. Dabei wird die Wasserhülle um 10 bis 20 °C erwärmt. Die thermische Energie steckt vorwiegend in Kippbewegungen der Wassermoleküle, sog. Librationen, und führt zu einer Schwächung der Wechselwirkung zwischen den Wassermolekülen, den sog. Wasserstoffbrücken. Die molekulare Struktur der Wasserhülle bleibt auf der Zeitskala der Energieübertragung nahezu unverändert. Dieser extrem effiziente Mechanismus erlaubt auch die Übertragung größerer Energiemengen und kann so das Lipidmolekül vor Beschädigungen seiner Struktur durch Überhitzung schützen.

In den Experimenten wurde ein Phospholipid-Modellsystem untersucht, das aus DOPC-Molekülen besteht (Abb.1). Diese Moleküle sind als sog. inverse Mizellen angeordnet, in deren Innern die Phosphatgruppen (PO4) der Lipidmoleküle hydratisiert werden. Dabei lässt sich der Wassergehalt in weiten Grenzen verändern. Zur Untersuchung des Energietransfers wurde mit Lichtimpulsen von ca 0.1 ps Dauer entweder eine Phosphatschwingung des Lipids oder die OH-Streckschwingung von Wassermolekülen angeregt. Beide Schwingungen zerfallen in Bruchteilen einer Pikosekunde und geben die dabei freiwerdende Energie an die Wasserhülle ab. Dieser Übertragungs- und Umverteilungprozess wurde durch Messung transienter zweidimensionaler Schwingungsspektren der OH-Streckschwingung des Wassers verfolgt (Abb. 2). Die Schwächung der Wasserstoffbrücken in der aufgeheizten Wasserhülle führt zu einer Verschiebung der OH-Streckschwingung zu höheren Frequenzen. Aus der zeitabhängigen Veränderung dieser Spektren lässt sich direkt die Dynamik der Energieübertragung ableiten.

Abbildung 1 (Klick zum Vergrößern): Links oben: Schematische Darstellung einer aus Phospholipidmolekülen bestehenden inversen Mizelle. Die Phosphatgruppen der Lipidmoleküle (blaue Kugeln) sind an der inneren Oberfläche der Mizelle angeordnet. Wassermoleküle befinden sich im Innern der Mizelle. Rechts oben: Vergrößerte Ansicht der Struktur einesPhospholipidmoleküls. Sauerstoffatome sind in rot, Wasserstoffatome in weiss, Kohlenstoffatome in grau, das Stickstoffatom in blau und das Phosphoratom in orange dargestellt. Die gewinkelten Wassermoleküle befinden sich in der Umgebung der Phosphatgruppe (PO4). Unten: Schema der Energieübertragung. In den Experimenten ist zunächst die (asymmetrische) Streckschwingung der Phosphatgruppe angeregt (rote Sauerstoffatome O). Nach dem Zerfall der Schwingungsanregung wird die freiwerdende Energie innerhalb einer Pikosekunde auf die umgebende Wasserhülle übertragen (rote Wassermoleküle H2O).

 

Abbildung 2 (Klick zum Vergrößern): Zweidimensionale Infrarotspektren der OH-Streckschwingung einer Wasserhülle, die aus 3 Wassermolekülen pro Phosphatgruppe besteht. Das linke Bild zeigt das Spektrum angeregter OH Streckschwingungen der Wasserhülle zum Zeitpunkt 0.125 ps. Das Signal ist als gelb-rote Kontur in Abhängigkeit von der Anregungs- und der  Detektionsfrequenz gezeigt. Das rechte Spektrum wurde nach 1.5 ps aufgenommen und zeigt das charakteristische Signal einer aufgeheizten Wasserhülle. Der zusätzliche Beitrag bei großen Detektionsfrequenzen (blaue Kontur) ist auf die Schwächung der Wechselwirkung zwischen Wassermolekülen in der aufgeheizten Hülle zurückzuführen. 

 

 

Kontakt

René Costard, Tel. 030 6392 1454
Dr. Ismael Heisler
Prof. Thomas Elsässer
 
Originalpublikation:   R. Costard, C. Greve, I. A. Heisler, T. Elsaesser: Ultrafast energy redistribution in local hydration shells of phospholipids: a two-dimensional infrared study. J. Phys. Chem. Lett. 3, 3646 (2012).

 
   
 

Ingo Barth vom Max Born Institut ist Nachwuchswissenschaftler des Jahres 2012

 

Dr. Ingo Barth wurde von academics.de zum Nachwuchswissenschaftler des Jahres gekürt. Der heute 36-Jährige studierte Physik an der TU Berlin und promovierte an der FU Berlin in Theoretischer Chemie mit summa cum laude. Er hat als erster Gehörloser in Deutschland einen Doktortitel in Chemie und wurde für seine Forschung bereits mehrfach ausgezeichnet.

27. November 2012

Am MBI betreibt Barth Grundlagenforschung in Starkfeld- und Attosekundenphysik. Schon in seiner Doktorarbeit fand er heraus, wie Elektronen durch Laserpulse auf eine ringförmige Bahn gezwungen werden können und so in ihrem Inneren extrem starke Magnetfelder erzeugen. Sie übertreffen nach seinen Berechnungen das bislang stärkste im Labor erzeugte permanente Magnetfeld von knapp 100 Tesla bei weitem. Am MBI führt er diese Forschung zur Kontrolle von Elektronenbewegung durch Laserpulse fort. Für seine Erkenntnisse wurde Barth unter anderem mit dem Carl-Ramsauer-Preis der Deutschen Physikalischen Gesellschaft zu Berlin ausgezeichnet.

Ingo Barth engagiert sich darüber hinaus für die Weiterentwicklung der Gebärdensprache und den Aufbau einer „European DeafUniversity“.

Der mit 2.000 Euro dotierte academics-Nachwuchspreis ehrt junge Wissenschaftler bis zu einem Alter von 35 Jahren, die durch herausragendes Engagement, zukunftsweisende Ideen oder beispielhaftes Handeln Wissenschaft, Forschung und Entwicklung nachhaltig positiv beeinflussen.

Die offizielle Verleihung findet am 18. März 2013 im Rahmen der „Gala der Wissenschaft“ des Deutschen Hochschulverbands in Leipzig statt.

Ein ausführliches Porträt finden Sie unter www.academics.de/ingobarth.
Informationen zum Preis unter www.academics.de/nachwuchspreis.

Kontakt

Max-Born-Institut für Nichtlineare Optik und Kurzzeitspektroskopie (MBI)
Max-Born-Str. 2A
12489 Berlin

Dr. Ingo Barth


 
   
 

Gibt es doch elektrische Ströme in einem Isolator?

Das Femtosekunden-Röntgenteam (Projekt 3.3) beobachtete einen extrem schnellen Austausch von Elektronen zwischen benachbarten Atomen nach Anlegen eines starken optischen Feldes an einen Isolator. Die räumliche Elektronendichte konnte mit Hilfe von ultrakurzen Röntgenblitzen direkt abgebildet werden.

02. Oktober 2012

Schon in der Schule lernt man, dass jedes Material, insbesondere die Festkörper, entweder als Metall oder Isolator klassifiziert werden kann. Wenn man Pole einer Batterie mit einem Stück Metall verbindet, fließen Elektronen vom Minuspol zum Pluspol, d.h. die angelegte Spannung erzeugt einen elektrischen Strom. Wenn man das gleiche Experiment mit einem Stück nichtleitenden Material macht, misst man dagegen gar keinen elektrischen Strom. Man könnte sich daher fragen, ob die Elektronen in einem Isolator sich überhaupt bewegen, wenn sie  einem starken Feld (Spannung) ausgesetzt sind. Und, falls sie sich doch bewegen: wie weit und wie schnell?

Um diese grundlegende Frage zu beantworten, muss man die Position der Elektronen im Material mit einer räumlichen Genauigkeit von 0.1 nm (0.1 nm=10-10 m) messen, was ungefähr den Abstand zwischen benachbarten Atomen entspricht. Das ist möglich, wenn man das Material mit Röntgenstrahlen abbildet, die von Elektronen gestreut werden und über deren räumliche Verteilung Auskunft geben. Zusätzlich muss man ein sehr starkes elektrisches Feld anlegen um die Elektronen von ihren Ursprungsatomen wegzuziehen. Extrem starke elektrische Felder kann man für sehr kurze Zeiten (50 fs, 1 fs = 10-15 s) mittels optischer Lichtimpulse erzeugen. In der aktuellen Ausgabe von Physical Review Letters (PRL 109, 147402, 2012) berichten Johannes Stingl, Flavio Zamponi, Benjamin Freyer, Michael Woerner, Thomas Elsaesser und Andreas Borgschulte über die erste in-situ Röntgenabbildung von Elektronen- und Atombewegungen, die von einem starken optischen Feld ausgelöst wurden.  Sie haben für das Prototypmaterial LiBH4 eine zeitabhängige „Elektronendichte-Landkarte“ aufgenommen, die aus einer Reihe Schnappschüssen mittels ultrakurzer Röntgenblitze (100 fs) gewonnen wurde. Schnappschüsse zu verschiedenen Zeiten während und nach dem Lichtimpuls bilden einen "Röntgenfilm", der die atomaren und elektronischen Bewegungen im LiBH4-Kristall sichtbar macht.

Zur großen Überraschung der Forscher fand während des zeitlichen Überlapps zwischen optischem Lichtimpuls und Röntgenblitz ein extrem schneller Elektrontransfer von dem BH4-- zu dem benachbarten Li+-Ion statt, das ca. 0.25 nm entfernt liegt. Da das elektrische Feld des Lichtes seine Richtung alle 1.3 fs umkehrt, wird das Elektron zwischen zwei Orten mit sehr hoher Geschwindigkeit, etwa 1 % der Lichtgeschwindigkeit (c = 300.000 km / s) hin und her bewegt. Nach dem Lichtimpuls kehrt das Elektron zu dem BH4--Ion zurück und die ursprüngliche Elektronverteilung ist wiederhergestellt. Neben diesem instantanen und reversiblen Elektrontransfer gibt es keine makroskopischen Ströme, d.h. das Material verhält sich wie ein Isolator. Eine quantitative Analyse zeigt, dass die große Auslenkung der Elektronen zwischen den benachbarten Ionen den Hauptbeitrag zur elektrischen Polarisation ausmacht und die Ursache für viele Nichtlinearitäten bei optischen Frequenzen darstellt. Neben den neuen Einblicken in fundamentale elektrische und optische Eigenschaften von Isolatoren bieten die Experimente an LiBH4 hohes Anwendungspotential für die zeitliche Charakterisierung von ultrakuren Röntgen-Impulsen.

Movie: Der hier verlinkte Cartoon zeigt die Elektronbewegung zwischen benachbarten Atomen in einem LiBH4-Kristall. Die rote Kurve im oberen Teilbild zeigt das elektrische Feld des Laserlichts als Funktion der Zeit. Der sich bewegende blaue Punkt markiert die Stärke und Richtung des elektrischen Feldes für den entsprechenden Schnappschuss im unteren Teilbild. Dieser zeigt eine "Elektronendichte-Landkarte" der Einheitszelle eines LiBH4 Kristalls. Ohne Anlegen eines elektrischen Feldes haben die BH4--Anionen (sehr helle Regionen) eine größere Elektronendichte als die Li+ Kationen (dunklere Spots). Während des Laserimpulses treibt das oszillierende elektrische Feld starke elektrische Ströme zwischen den BH4- und Li+ Ionen, welche mittels der Intensität der auftretenden dreieckigen Pfeile angedeutet werden.

Kontakt

Michael Woerner, Tel: +49-30-6392 1470
Flavio Zamponi, Tel: +49-30-6392 1472
Thomas Elsaesser, Tel: +49-30-6392 1400

 
   
 

Julius Springer Prize 2012 geht an Thomas Elsässer und Horst Weller

20. Juni 2012

Wissenschaftler werden für ihre Pionierleistungen und ihr detailliertes Verständnis elementarer Prozesse auf der Sub-Nanoskala geehrt.

Der diesjährige Julius Springer Prize for Applied Physics geht an Prof. Dr. Thomas Elsässer vom Max-Born-Institut in Berlin und Prof. Dr. Horst Weller von der Universität Hamburg für ihre Pionierleistungen und ihr detailliertes Verständnis elementarer Prozesse auf der Sub-Nanoskala. Der mit 5.000 US-Dollar dotierte Preis wird am 20. Juni in der Akademie der Künste in Berlin anlässlich des Julius Springer Forum on Applied Physics 2012 überreicht.

Elsässer und Weller haben umfangreiche Forschungen zu den elementaren Prozessen auf der Nano- und Sub-Nanoskala durchgeführt. Dabei untersuchten sie die zeitaufgelöste ultraschnelle Bewegung von Atomen und Ladungen in Kristallen sowie die präzise Erzeugung funktionalisierter Nanopartikel-Materialkomplexe und deren Anwendungen. Dazu zählen die Entwicklung neuer Photovoltaik- und Brennstoffzellen sowie „intelligente“ Kontrastmittel- und Medikamenten-Verabreichungssysteme, die in der Medizin zur verbesserten Diagnostik und Therapie eingesetzt werden können.

Thomas Elsässer ist Direktor am Max-Born-Institut in Berlin und Professor für experimentelle Physik an der Humboldt-Universität. Seine Forschungsarbeit erstreckt sich auf ein weites Spektrum ultraschneller fundamentaler Prozesse in Festkörpern, Flüssigkeiten und (bio)-molekularen Systemen. Zahlreiche seiner etwa 390 wissenschaftlichen Artikel sind international auf große Resonanz gestoßen; er ist Inhaber von sechs Patenten.

Horst Weller ist Professor für physikalische Chemie an der Universität Hamburg. Er ist darüberhinaus wissenschaftlicher Direktor des Centrums für Angewandte Nanotechnologie (CAN), das von einem Konsortium aus Industrie und öffentlichen Organisationen gegründet wurde. Seit den frühen achtziger Jahren ist er Pionier im Bereich der Nanochemie und seine Forschung deckt ein breites Themenspektrum ab:  von der Grundlagenforschung bis hin zu Anwendungen. Er hat mehr als 300 wissenschaftliche Beiträge veröffentlicht und ist Inhaber mehrerer Patente.

Mit dem Julius Springer Prize for Applied Physics werden Wissenschaftler geehrt, die einen überragenden und innovativen Beitrag im Bereich der angewandten Physik geleistet haben. Seit 1998 wird der Preis jährlich durch die Herausgeber des Springer-Journals Applied Physics A – Materials Science & Processing und Applied Physics B – Lasers and Optics verliehen.

Springer Science+Business Media ist ein international führender Wissenschaftsverlag für hochwertige Inhalte in innovativen Informationsprodukten und Dienstleistungen, genutzt von Forschern in Hochschulen, wissenschaftlichen Instituten und Unternehmen. Die Verlagsgruppe ist außerdem ein renommierter Anbieter von Fachpublikationen in Europa, insbesondere im deutschsprachigen Raum und den Niederlanden.

Pressekontakt: Joan Robinson, Tel.: +49-6221-487-8130, E-Mail: joan.robinson@springer.com

Der Preis wird Thomas Elsässer und Horst Weller am 20. Juni 2012 um 10:30 Uhr in der Akademie der Künste am Pariser Platz in Berlin anlässlich des diesjährigen „Julius Springer Forum on Applied Physics 2012“ überreicht. Das Programm kann unter http://www.springer.com/physics heruntergeladen werden. Die kostenlose Voranmeldung ist bis zum 18. Juni unter apa@gwdg.de möglich.

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Thomas Elsässer, Tel.: +49-30-6392 1400

 
   
 

Wie Elektronen schwingende Atomkerne überholen – Der Röntgenfilm

20. März 2012

Forscher des Max-Born-Institutes in Berlin verfolgten in Echtzeit die räumliche Schwingungsbewegung von Elektronen in einem Kristall, indem sie einen Film mit Hilfe von ultrakurzen Röntgen-Blitzen drehten. Die äußeren Elektronen bewegen sich auf der Längenskala einer chemischen Bindung vor und zurück und modulieren somit die elektrischen Eigenschaften, während sich dabei die inneren Elektronen und die Atomkerne nur um 1% dieser Strecke bewegen.

Ein Kristall besteht aus einer regelmäßigen Anordnung von Atomen im Raum, auch Kristallgitter genannt, welches mit Hilfe der gegenseitigen, elektrostatischen Anziehungskräfte der Elektronenwolken benachbarter Atome  zusammen gehalten wird. Die meisten der Elektronen sind stark an einen individuellen, positiv geladenen Atomkern gebunden. Die äußersten Elektronen eines Atoms heißen Valenzelektronen und bauen die Bindung zu den Nachbaratomen auf. Diese Bindungen bestimmen den Atomabstand im Kristall sowie wesentliche Eigenschaften, wie etwa seine elektrische Leitfähigkeit oder mechanische Stabilität. 

Die Atome in einem Kristallgitter sind nicht etwa in Ruhe, sondern schwingen um ihre jeweilige Gleichgewichtsposition. Die räumliche Auslenkung der Bewegung der Atomkerne zusammen mit ihren Elektronen in den inneren Schalen beträgt typischerweise nur ein Prozent des Abstandes zwischen den Atomen. Wie sich die äußeren Valenzelektronen während dieser Gitterschwingung verhalten, war bislang nicht klar und die Größe ihrer Auslenkung gänzlich unbekannt. Eine direkte Messung dieser Bewegung in Echtzeit ist sehr wichtig für ein grundlegendes Verständnis der statischen und dynamischen elektrischen Eigenschaften des Kristalls.

Um diese offene Frage zu klären, haben Flavio Zamponi, Philip Rothhardt, Johannes Stingl, Michael Wörner und Thomas Elsässer ein Röntgen-Reaktionsmikroskop gebaut, das eine Aufnahme der Elektronenbewegung in Echtzeit in einem Kristall erlaubt. Wie sie in der neuesten Ausgabe der Fachzeitschrift PNAS (doi: 10.1073/pnas.1108206109) berichten, werden Gitterschwingungen in einem Kaliumdihydrogenphosphat (KDP)-Kristall mit Hilfe eines Laserblitzes angestoßen, der nur 50 Femtosekunden (1 fs = 10-15 Sekunden) dauert. Die momentanen Positionen der Atome und Elektronen werden dabei mit hoher räumlicher Auflösung mithilfe von 100 fs langen Röntgenblitzen gemessen, welche von den schwingenden Atomen gebeugt werden. Röntgenfotos, die zu verschiedenen Zeiten nach dem Start der Schwingung geschossen werden, bilden zusammen den gewünschten Röntgenfilm. 
 
Es war eine große Überraschung für die Forscher aus Berlin, dass nach Anregung einer speziellen Schwingung in KDP, der sogenannten „weichen“ Schwingung (engl. soft mode), die äußeren Valenzelektronen sich um eine 30-mal größere Entfernung während der Schwingung bewegten als die Atomkerne und deren Elektronen in den inneren Schalen. Dieses Verhalten kann man direkt in den Elektronendichte-„Landkarten“ in Bild 1 beobachten. Währende der soft-mode Oszillation bewegt sich ein ursprünglich auf dem Phosphor (P)-Atom sitzendes Elektron zu einem seiner Sauerstoff (O)-Nachbarn  (P-O Bindungslänge: 160 Pikometer (10-12m)) und kehrt nach einer halben Oszillationsperiode wieder zum P-Atom zurück. Überraschenderweise bewegen sich dabei die beteiligten Atome nur wenige Pikometer, im krassen Gegensatz zum Lehrbuchwissen, nach dem man eine gemeinsame Bewegung aller Elektronen eines Atoms mit seinem Kern erwartet. Die überraschend weite Bewegung der Valenzelektronen kann man mit Hilfe der elektrostatischen Kräfte verstehen, die das schwingende Ionenkristallgitter während der soft-mode Oszillation auf die Elektronen ausübt. In den 1960er Jahren wurden schon Theorien entwickelt, die ein solches Verhalten vorhersagten. Jetzt ist endlich der experimentelle Nachweis gelungen. In dem beigefügten Film (AVI-Datei) sieht man die Iso-Elektronendichte-Oberfläche des Kaliumions und des Phosphations während einer soft-mode Oszillation in KDP.

Die neu entwickelte Pulvermethode der Femtosekunden-Röntgenbeugung kann auf viele andere Systeme angewendet werden, um ultraschnelle chemische und physikalische Strukturänderungen abzubilden.

Erläuterung zum Film:

Oberfläche konstanter Elektronendichte r(r,t) = 6000 e-/nm3 im Bereich des Kaliumions (Kugel) und des Phosphations. Das Phosphoratom ist in der Mitte und die 4 Sauerstoffatome  sind außen in den Ecken eines Tetraeders angeordnet. Bei der Verzögerungszeit t=0 wird die soft-mode Oszillation angeregt und die elektronische Ladung fließt zwischen P und O hin und her. Als kleineren Effekt sieht man die Verzerrung der Elektronenwolke des Kaliumatoms zwischen einer Zigarren- bzw. Pfannkuchen-Form.

kdp-kristallGrafik:
(A) Einheitszelle des KDP-Kristalls  [gelbe Kugeln: Phosphoratome (P), rosa: Kalium (K), rot: Sauerstoff (O), weiß: Wasserstoff. (B) Elektronendichte „Landkarte“ in dem eingezeichneten Rechteck ρ0(r) vor der Laseranregung. Die schwarzen Linien deuten die Schachteln für verschiedene Atome an, in denen die Ladungsmenge und der Schwerpunkt der Ladungswolke gemessen werden. (C) und (D) Änderung der Ladungsdichte nach Laseranregung (rot: Ladungszunahme, blau: Abnahme). (E) Positionen der Atome in dieser Ebene und der Ladungsaustausch zwischen Phosphor und Sauerstoff. Die Elektronenwolke des Kaliumatoms zeigt Verzerrungen zwischen einer Zigarren- bzw. Pfannkuchen-Form.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Kontakt

Michael Wörner,Tel: +49-30-6392 1470
Flavio Zamponi, Tel: +49-30-6392 1472
Thomas Elsässer, Tel.: +49-30-6392 1400

Link zu Proceedings of the National Acadamy of Sciences of the United States of America (PNAS, doi: 10.1073/pnas.1108206109)

 
   
 

Elektronen gehen nicht immer den einfachsten Weg

16. März 2012

Bei der Ionisation in einem starken Laserfeld wird aus einem Molekül ein Elektron herausgelöst. Bislang gingen Physiker davon aus, dass es sich dabei um das am schwächsten gebundene Elektron im Molekül handelt. Eine Forschergruppe hat nun in einem Experiment nachgewiesen, dass auch stärker gebundene Elektronen durch die Ionisation in einem starken Laserfeld freigesetzt werden. Dieses neue Verständnis bringt nicht nur die Attosekundenforschung voran, sondern Forscher kommen damit auch dem Ziel näher, chemische Prozesse zu steuern. Über diese Ergebnisse berichtet die Forschergruppe im Fachblatt Science vom 16. März 2012.

In einem Molekül bewegen sich die Elektronen in verschiedenen Orbitalen, wobei sich in jedem Orbital höchstens zwei Elektronen aufhalten können. Die Orbitale haben unterschiedliche Energieniveaus. Für das höchste besetzte Orbital ist die geringste Energie nötig, um ein Elektron herauszulösen. Daher liegt es nahe, dass sich bei der Ionisation ein Elektron aus genau dem höchsten besetzten Orbit herauslöst. An dieser These hegten Theoretiker aber schon länger Zweifel, denn viele Beobachtungen ließen sich damit nicht gut erklären. In Experimenten gab es zwar auch schon Hinweise darauf, dass sich Elektronen aus einem niedrigeren Orbit lösten, doch überlagerten sich darin so viele Effekte, dass der eindeutige Beweis noch fehlte. Prof. Marc Vrakking, Direktor am Berliner Max-Born-Institut (MBI), erklärt: „Diesen Beweis haben wir jetzt mit unserem Experiment geliefert.“

Die Gruppe von Forschern des kanadischen National Research Council (NRC), des AMOLF (Amsterdam) und des MBI hat bei ihrem Experiment ein Molekül in einem starken Laserfeld ionisiert. Die Wissenschaftler haben dann nicht nur die Energie des herausgelösten Elektrons gemessen, sondern parallel dazu auch das molekulare Ion. Wenn ein Elektron des höchsten besetzten Orbitals fehlt, ist das Ion stabil und verändert sich nicht so schnell. Fehlt jedoch ein Elektron eines niedrigeren Orbitals, muss vorher mehr Energie in das Molekül gesteckt worden sein. Damit befindet sich das Molekül nun in einem angeregten und damit nicht stabilen Zustand, es fällt leichter auseinander. „Bei den Elektronen konnten wir neben denen, die aus dem höchsten Orbit stammten, auch Elektronen mit unterschiedlichen Energien messen – hier war es möglich, dass sie aus einem niedrigeren Orbit stammten“, berichtet Vrakking. „Den Beweis hatten wir dann, als wir gleichzeitig sehen konnten, dass das Ion zerfallen war.“

Die Ergebnisse ermöglichen ein neues Verständnis in der Attosekundenforschung, die auf der Ionisation in starken Laserfeldern basiert. Aber auch für chemische Prozesse eröffnen sich ganz neue Möglichkeiten. Wenn nicht nur Elektronen aus dem höchst besetzten Orbital, sondern auch aus niedrigeren Orbitalen ionisieren, dann hinterlässt man nach den Gesetzen der Quantenmechanik nämlich ein Molekül, in dem sich die Elektronen sehr schnell bewegen, bis hin zu einem Elektronenstrom. Das hat Einfluss darauf, wie das Molekül chemisch reagiert. Eine Reaktion kann dadurch schneller ablaufen – von der Femtosekunden-Skala hin zur Attosekunden-Skala. Der Elektronenstrom innerhalb eines Moleküls kann aber auch dazu führen, dass es bestimmte chemische Reaktionen bevorzugt. Das könnte einen Paradigmenwechsel für die Fähigkeit von Molekülen zu chemischen Reaktionen bedeuten: Sie könnten dann durch die Bewegung von Elektronen verursacht werden und nicht mehr durch die der Atomkerne. Wissenschaftler könnten chemische Prozesse unmittelbar beeinflussen.

Die Messungen wurden in Kanada durchgeführt, die MBI-Physiker wollen sie nun in Berlin wiederholen und weiterführen.

Bilderklärung
Links ist ein Molekül mit seinen Orbitalen in rot und blau (erdnussförmig) zu sehen. Das starke Laserfeld, hier durch einen Blitz angedeutet, verformt die Orbitale, sie dehnen sich im Bild überwiegend nach rechts aus (rot ist als Gitter dargestellt). Schließlich werden Elektronen aus den Orbitalen herausgelöst. Die blauen und roten (gitterförmigen) Flächen stellen die jeweils möglichen Aufenthaltsorte der Elektronen dar. Ganz rechts sind die Ionen zu sehen, die nach der Ionisation zurückbleiben: Die blauen Ionen gehören zu den blau dargestellten Elektronen und sind stabil, die entsprechend roten Ionen sind zerfallen.

 

Originalveröffentlichung
Andrey E. Boguslavskiy, Jochen Mikosch, Arjan Gijsbertsen, Michael Spanner, Serguei Patchkovskii, Niklas Gador, Marc J.J. Vrakking, Albert Stolow: The multielectron ionization dynamics underlying attosecond strong field spectroscopies. Science, Vol. 335, 6074 (16.03.2012).

Kontakt
Max-Born-Institut für Nichtlineare Optik und Kurzzeitspektroskopie (MBI)
Prof. Dr. Marc Vrakking
Tel.: (030) 6392-1200

 
   
 

Erzeugung von Terahertz-Strahlung durch ionisierende Zwei-Farben Femtosekunden Impulse in Gasen

23. Januar 2012

Wissenschaftler des Max Born Instituts haben in Zusammenarbeit mit auswärtigen Kooperationspartnern den Grundmechanismus bei der Erzeugung von Terahertz- Strahlung in Gasen theoretisch aufgeklärt, einen experimentellen Nachweis für diesen erbracht sowie Möglichkeiten zur Kontrolle der THz Spektralparameter aufgezeigt. Als Terahertz-Strahlung (1Terahertz =1THz = 1012Hz =1012 Schwingungen pro Sekunde) bezeichnet man Licht mit einer extrem großen Wellenlänge von ungefähr 0.3 mm. Eine Frequenz von 1 THz ist ungefähr 50mal größer als die Frequenz, bei der Handys arbeiten. Terahertz-Strahlung findet heute breite Anwendung in der Technik, etwa bei der drahtlosen Datenübertragung oder der Analyse von Materialien. Auch der sog. 'Nacktscanner' an Flughäfen benutzt THz-Strahlung zum Durchleuchten von Gegenständen. In der Forschung werden THz-Impulse extrem kurzer Dauer verwendet, um grundlegende Eigenschaften von Festkörpern und Flüssigkeiten zu untersuchen, z.B. den Ladungstransport und den elektrischen Widerstand.
Diese Untersuchungen erfordern die Erzeugung kurzer THz-Blitze, wofür man die Ionisation von Gasen durch ultrakurze Laserimpulse ausnutzen kann. Unter den verschiedenen Quellen zeichnet sich die THz Erzeugung mittels Zwei-Farben Femtosekunden Impulse in einem Gas durch hohe Feldstärken (bis in den MV/cm-Bereich) und große Spektralbreiten (bis oberhalb von 100 THz) aus. Obwohl bereits im Jahre 2000 entdeckt und inzwischen in vielen Arbeiten untersucht und angewandt, wird der Grundmechanismus ihrer Entstehung in der Literatur immer noch kontrovers diskutiert. Anfangs durch Gleichrichtung (rectification) infolge der Nichtlinearität dritter Ordnung in Gasen interpretiert, wurde später die THz Erzeugung mit der Entstehung eines Plasma Stroms im Zwei-Farben Laserfeld in Verbindung gebracht. Unsere theoretische Untersuchung [1] und die damit im Zusammenhang stehenden Experimente am MBI [2] zeigten, dass die THz- Ausstrahlung untrennbar mit dem stufenförmigen Anwachsen der Plasmadichte bei der Tunnelionisation nahe den Maxima der Feldstärkeamplitude der Pumpimpulse verursacht wird, wodurch ionisierte Elektronen in einer zeitlichen Folge diskreter Ionisationsereignisse im Attosekunden Bereich entstehen, die zur Ausstrahlung von THz Impulsen führt. Ihr Spektrum wird deshalb durch die Interferenz der Beiträge verschiedener Ionisationsereignisse bestimmt, wodurch sich eine bemerkenswerte Analogie mit der Beugungstheorie von Licht an einem Gitter ergibt.
Umfassende (3+1)-dimensionale numerische Computersimulationen bestätigten dieses Modell, das nicht nur eine Erklärung einer Reihe von experimentellen Beobachtungen, sondern gleichzeitig neue Möglichkeiten für die Steuerung der THz Parameter und die Formung gewünschter THz Spektren durch die zeitliche Kontrolle der Ionisationsereignisse (z. B. durch eine Frequenzverstimmung der beiden Zwei-Farben Pumpimpulse) ermöglicht [1]. Die Realisierung von Experimenten am MBI [2] ermöglichte dieses neue Verständnis der THz Ausstrahlung durch experimentelle Beobachtungen zu testen. Die Messungen der THz Spektren zeigten in Übereinstimmung mit (3+1)-dimensionalen Simulationen eine empfindliche Abhängigkeit vom Gasdruck, wodurch sich wichtige Einsichten in den Grundmechanismus der THz Ausstrahlung und dem Einfluss von Ausbreitungseffekten der Pumpwellen ergaben. Dabei spielt eine Plasma-induzierte Blauverschiebung der Pumpimpulse eine Schlüsselrolle bei der Verbreiterung der THz Spektren mit anwachsendem Gasdruck. Dies liefert andererseits eine experimentelle Bestätigung für den oben beschriebenen Mechanismus, wobei die THz Ausstrahlung direkt mit der stufenförmigen Modulation des Ionisationsstroms zusammenhängt.

Abb.: Mechanismus der THz Emission. Das zwei-Farben Laserfeld E(t) (rot) erzeugt freie Elektronen durch Tunnelionisation mit einer stufenförmigen Dichtemodulation (grün) nahe den Maxima der Feldamplitude. Dies führt zur Entstehung eines Stromes (blau punktiert), der als Quelle für die THz Emission wirkt. In der Einfügung wird die experimentelle Anordnung gezeigt.

 

 

 

Veröffentlichungen:
[1] I. Babushkin, S. Skupin, A. Husakou, C. Köhler, E. Cabrera-Grenado, L. Berge and J. Herrmann, “Tailoring terahertz radiation by controlling tunnel ionisation events in gases“, New Journal of Physics 13, 123029 (2011)

[2] I. Babushkin, W. Kuehn, C. Köhler, S. Skupin, L. Berge, K. Reiman, M. Woerner, J. Herrmann and T. Elsaesser, „Ultrafast spatiotemporal dynamics of terahertz radiation by ionising two-color femtosecond pulses in gases“, Phys. Rev. Lett. 105, 053903 (2010)

Weitere Informationen:

Dr. J. Herrmann, Tel. 030 63921278

 
   
 

Prof. Mikhael Yu. Ivanov nimmt seine Arbeit als Abteilungsleiter A1 des MBI und als W3-S Professor für Theoretische Optik am Institut für Physik der Humboldt-Universität auf

06. Januar 2012

Wir freuen uns bekanntzugeben, dass Prof. Mikhael (Misha) Yu. Ivanov zu Beginn dieses Jahres seine Tätigkeit als Leiter der Abteilung A1 des Max-Born-Instituts (MBI) und als W3-S-Professor für Theoretische Optik am Institut für Physik der Humboldt-Universität aufgenommen hat. Am MBI ist er Nachfolger von Prof. Martin Weinelt, der im letzten Jahr an die Freie Universität Berlin berufen wurde.

Misha Ivanov (1964) gilt weltweit als einer der führenden Theoretiker auf dem sich neu entwickelnden Gebiet der Ultrakurzzeitphysik bei hohen Laserintensitäten, auf dem neue Methoden zur Untersuchung der Licht-Materie-Wechselwirkung bis hin zur extrem kurzen Attosekunden-Zeitskala entwickelt werden. Er hat entscheidende Beiträge zur Entwicklung der Attosekundenphysik geleistet und ist – neben anderen Aktivitäten – Koautor von Schlüsselarbeiten zur Erzeugung von Attosekundenimpulsen, zur Kontrolle der Attosekunden-Elektronendynamik bei der Ionisation in starken Feldern und zur Beobachtung der Elektronendynamik in Molekülen auf der Attosekunden-Zeitskala. 

Misha Ivanov schloss sein Studium in Jahr 1987 an der „Moscow State“ Universität ab und promovierte 1989 am General Physics Institute in Moskau, wo er danach als Postdoc und angestellter Wissenschaftler arbeitete. Von 1992 bis 2008 arbeitete er am National Research Council (NRC) in Ottawa, Kanada, wo er als Leiter der Theoriegruppe dynamisches Forschungsprogramm etablierte. Im Jahr 2008 schied er beim NRC aus und akzeptierte er einen Lehrstuhl am Imperial College in London.

Misha Ivanov wurde für seine Forschung vielfach ausgezeichnet, unter anderem mit der Rutherford-Medaille der Royal Society of Canada (2003) und dem Friedrich Wilhelm Bessel Preis der Alexander von Humboldt Stiftung (2004). Seit 2010 koordiniert er das Marie Curie Initial Training Network „CORINF“ (“Correlated Multielectron Dynamics in Intense Light Fields”).

Das MBI ist stolz darauf, mit Misha Ivanov einen herausragenden Wissenschaftler für die Leitung der neuen Theorieabteilung A1 gewonnen zu haben und freut sich gemeinsam mit der Humboldt-Universität auf eine enge Zusammenarbeit bei der weiteren Entwicklung der Attosekundenphysik und seiner zahlreichen anderen Forschungsinteressen.



 
   

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