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.“
Elektronen gehen nicht immer den einfachsten Weg
Abb. 1 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.
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.