13.09.2021
Chiralität mit einem Röntgenlaser erforschen
Ein internationales Team von Wissenschaftlern unter der Leitung des SLAC National Accelerator Laboratory, des European XFEL und der Universität Kassel hat erstmalig eine Studie zur Erforschung der Chiralität mit ultrakurzen und ultraintensen Pulsen an einem Freie-Elektronen-Röntgenlaser, nämlich der LCLS (USA) durchgeführt.
Chiralität ist ein fundamentales Phänomen, bei dem nicht überlagerbare Spiegelbilder überraschende Auswirkungen auf unser tägliches Leben haben. Sie ist zum Beispiel ein Grundbaustein für die Geruchswahrnehmung, den Geschmack und die Wirkung der meisten Arzneimittel auf lebende Organismen. Tatsächlich besitzen die molekularen Bausteine aller bekannten biologischen Materie eine chirale, d. h. eine händige Struktur.
Die Erforschung der ultraschnellen strukturellen und elektronischen Dynamik in solchen chiralen Molekülen aus der Sicht spezifischer Bauteile kann zu den interdisziplinären Bemühungen beitragen, die Chiralität besser zu verstehen und zu kontrollieren.
Für ihr Experiment verwendeten die Wissenschaftler die chirale Modellsubstanz Trifluoromethyloxiran (C3H3F3O). Sie machten sich zunutze, dass ein Elektron in einem solchen chiralen System, das durch ein zirkular polarisiertes Photon ionisiert wird, unter bestimmten Bedingungen das chirale Potential spüren kann. Ein solcher Prozess "prägt" den Status der Chiralität in die Emissionsmuster der Elektronen als deutliche Asymmetrie ein.
Dieses als Photoelektronenzirkulardichroismus (PECD) bezeichnete Phänomen birgt ein großes Potenzial für die Erforschung der chiralen Dynamik aus der Perspektive einzelner Molekülstellen, da die hohe Photonenenergie, die extreme Helligkeit und die exquisite Zeitauflösung der XFELs genutzt werden können.
Stefan Moeller, einer der Leiter der Untersuchungen am LCLS vom SLAC, ordnet die Studie ein: "Als die hellsten Röntgenquellen der Welt sind Freie-Elektronen-Laser vielversprechende Werkzeuge, um bahnbrechende Beiträge zu diesem spannenden Thema zu leisten, aber bisher wurde ihr Einsatz in dieser Hinsicht durch die technische Komplexität erschwert", sagt er. Er erklärt, dass ein Aspekt dieser Komplexität die anspruchsvolle Kombination von XFEL-basierter Polarisationskontrolle für zwei gut kontrollierte ultrakurze Pulse unterschiedlicher Energie mit abstimmbarer Zeitverzögerung zwischen ihnen war.
Dieses so genannte "Zweifarben-Röntgen-Pump-Probe"-Schema mit polarisationsgesteuerten XFEL-Pulsen für den ersten und den zweiten Puls wurde vor dieser Studie noch nie für eine wissenschaftliche Untersuchung eingesetzt. Für die Polarisationskontrolle setzten die Wissenschaftler den so genannten "Delta"-Undulator ein, der die erforderliche Polarisationskontrolle ermöglicht, um Licht mit einer Händigkeit, d.h. einer Helizität, als Schlüssel für die Wechselwirkung mit chiralen Systemen zu erzeugen.
"Die einzigartigen experimentellen Bedingungen gaben uns die Möglichkeit, das chirale Molekül von einer bestimmten atomaren Stelle aus zu beobachten, während es eines seiner Atome verlor", erklärt Markus Ilchen, ehemals Forscher an der Universität Kassel und am European XFEL, jetzt bei DESY, und Hauptautor des kürzlich in Communications Chemistry veröffentlichten Artikels.
Er fügt hinzu: "Die Komplexität der experimentellen Bedingungen und Daten war bemerkenswert, und die Lehren, die wir daraus für zukünftige Experimente und Datenanalyseansätze gezogen haben, waren ebenso spannend wie das Ergebnis selbst. Dieses Unterfangen wurde nur durch die starken Beiträge unserer Kollegen aus der Theorie möglich." Tatsächlich hat Philipp Demekhin von der Universität Kassel, korrespondierender Autor auf der Theorieseite, das Modell entwickelt, das spannende Perspektiven für die Dynamik chiraler Systeme nach der Ionisierung in der inneren Schale durch Röntgenstrahlen liefert. Es könnte ein Baustein sein, um die Entwicklung der stereochemischen Empfindlichkeit in expandierenden und umstrukturierenden chiralen Systemen besser zu verstehen.
Ilchen und Demekhin, beide Mitglieder des Sonderforschungsbereichs 1319, widmen sich der Untersuchung und Kontrolle der Chiralität unter extremen Lichtbedingungen. Beide sind begeistert vom Potenzial der Freie-Elektronen-Laser (Röntgenlaser) als einzigartige Lichtquellen für die chirale Erkennung. Sie sind entschlossen, einen neuen XFEL-basierten Ansatz für die ultraschnelle und nichtlineare Chiralitätsforschung zu entwickeln.
Michael Meyer, leitender Wissenschaftler des SQS-Instruments am European XFEL und Mitautor der Studie, fügt hinzu: "Es war interessant zu sehen, dass diese leistungsstarke Methode nun auch auf FEL-bezogene Studien angewendet werden kann. Dies wird verschiedene neue Möglichkeiten eröffnen, chirale Proben zu untersuchen, und löst bei uns besondere Begeisterung aus, da am European XFEL die Erzeugung von zirkular polarisiertem Licht für den SASE3 Soft X-ray Undulator im nächsten Jahr geplant ist."
Quelle: European XFEL GmbH