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09.11.2006

Molekül-Kamera der Superlative filmt schnelle Molekülschwingungnen


Forscher des Max-Planck-Instituts für Kernphysik in Heidelberg haben die Schwingungs- und Drehbewegung der Kerne in einem Wasserstoffmolekül als quantenmechanisches Wellenpaket sichtbar gemacht - und zwar erstmals auf einer extrem kurzen Zeitskala in Raum und Zeit. Sie "photographierten" das Molekül unter Verwendung von intensiven, ultrakurzen Laserpulsen zu unterschiedlichen Zeitpunkten und setzten die einzelnen Aufnahmen zu einem Film zusammen. So visualisierten sie das quantenmechanische Wellenverhalten des schwingenden und rotierenden Moleküls (Physical Review Letters, Online-Edition, 6. November 2006).

Zum Fotografieren von Molekülen nützen Fotoapparate und Lichtmikroskope nichts: Ein Wasserstoffmolekül ist etwa 5000 Mal kleiner als die Wellenlänge sichtbaren Lichts. Auf optischem Wege kann es daher nicht abgebildet werden. Stattdessen verwenden Max-Planck-Forscher schon seit längerer Zeit als hoch auflösende und sehr schnelle Aufnahmetechnik die Pump-Probe-Technik. Dabei werden die Moleküle erst mit einem "Pump"-Laserpuls "angestoßen" und dann nach einer gewissen Zeit mit einem "Probe"-Laserpuls vermessen.

Das besondere Interesse der Wissenschaftler gehört dabei dem kleinsten und schnellsten Molekül, dem Wasserstoff-Molekül. Um dessen ultraschnelle molekulare Bewegungen abbilden zu können, waren jedoch die Laserpulse bisher zu lang. Die beiden Kerne im Wasserstoffmolekül schwingen so schnell hin und her, dass selbst sichtbares Licht in dieser Zeit nur etwa fünf Schwingungen vollführt. Genau wie beim Photographieren braucht man aber für das scharfe Erfassen schneller Abläufe eine extrem kurze Belichtungszeit.

Um die "Belichtungszeit" zu verkürzen, entwickelten die Forscher am Max-Planck-Institut für Kernphysik eine Pump-Probe-Apparatur mit einer mittleren Laserpulsdauer von nur sechs bis sieben Femtosekunden, mit der erstmals die Molekülbewegungen kontinuierlich vermessen werden konnten. Zum Vergleich: Licht, das in einer Sekunde die Erde etwa achtmal umrunden kann, kommt in sieben Femtosekunden nur etwa zwei Tausendstel Millimeter weit. Dabei meisterten die Wissenschaftler enorme technische Herausforderungen: Sie hielten den zeitlichen Abstand zwischen beiden Laserpulsen mit einer Genauigkeit von 0,3 Femtosekunden stabil. In dieser Zeit legt Licht jedoch nur eine Strecke von 100 Nanometern zurück. Daher durften sich die optischen Komponenten des Experimentes während der Dauer der Messung nicht mehr als 500 Atomdurchmesser gegeneinander verschieben.

Quelle: Max-Planck-Gesellschaft




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