Momentaufnahmen von explodierendem Sauerstoff

Wie in einem in der Zeitschrift Physical Review X veröffentlichten Artikel beschrieben, ist es einer internationalen Kollaboration von Wissenschaftlern unter der Leitung von Till Jahnke von der Goethe Universität Frankfurt gelungen, das ultraschnelle Aufbrechen einzelner Sauerstoffmoleküle zu beobachten.

Das Experiment an der Small Quantum Systems-Experimentierstation (SQS) am European XFEL zeigt das große Potenzial von Photoelektronenbeugung für die Abbildung kleiner Moleküle.

Wissenschaftler träumen schon lange davon, die Bewegungen in einzelnen Molekülen genau beobachten zu können, wie beispielsweise Änderungen der Struktur oder die Bildung und das Brechen einzelner Bindungen. Diese winzigen Bewegungen sind jedoch extrem schnell. Sie im Detail zu erfassen würde das Wissen über solche Prozesse erweitern und könnte den Forschenden möglicherweise auch Werkzeuge an die Hand geben, um das Verhalten der Moleküle zu steuern.

Verschiedene Methoden ermöglichen bereits Momentaufnahmen von Molekülen. Während beispielsweise die Röntgenbeugung eine relativ gut etablierte Methode zur Untersuchung von Nanopartikeln ist, stellt die Beobachtung kleiner gasförmiger Moleküle mit nur wenigen Atomen immer noch eine große Herausforderung dar. Die Bewegung der einzelnen Atome ist so schnell, dass extrem helle, kurze Lichtblitze benötigt werden, um die Details genau zu erfassen. An der SQS Experimentierstation, die im November 2018 den Nutzerbetrieb aufgenommen hat, können Forschende erstmalig hohe Wiederholungsraten der Lichtblitze für detaillierte Studien an einzelnen Molekülen nutzen.

Anstatt die Röntgenphotonen - wie bei Beugungsexperimenten üblich - direkt zu verwenden, bedienten sich die Wissenschaftler eines Tricks: Sie nutzten stattdessen die herausgeschlagenen Photoelektronen, um die Prozesse in den Sauerstoffmolekülen zu untersuchen. Wie alle sehr kleinen Objekte können Elektronen sowohl als Teilchen, als auch als Wellen betrachtet werden. Ähnlich wie bei einem Sonar, das mit Schallwellen die Umgebung eines U-Boots abtastet, können die Elektronenwellen, die beim Auftreffen der intensiven Röntgenimpulse auf das Molekül entstehen, dazu verwendet werden, die Moleküle "von innen" abzubilden.

Aufgrund der hohen Intensität der European-XFEL-Röntgenpulse war es sogar möglich, mit einem Lichtpuls zwei Photoelektronen desselben Moleküls zu emittieren. Die erste Elektronenemission leitet dabei das Aufbrechen der Bindung ein, während das zweite Elektron das Molekül während der Explosion sondiert. Da die Elektronenwelle von einem Atomort emittiert und vom anderen Atom des zweiatomigen Sauerstoffmoleküls gebeugt wird, können Informationen über den Bindungsabstand der beiden Sauerstoffatome gesammelt werden. Da die zweite Ionisation zu verschiedenen Zeitpunkten der Explosion und damit bei unterschiedlichem Atomabstand erfolgte, konnte das Forscherteam mehrere Elektronenbeugungsbilder aufnehmen und die ersten 20 Femtosekunden des Aufbrechens des Moleküls filmen.

"Der Schlüssel zum Erfolg dieses Experiments waren die sehr kurzen und sehr intensiven weichen Röntgenblitze, die vom European XFEL erzeugt wurden", sagt Till Jahnke, der das Experiment an der SQS-Experimentierstation leitete. "Unsere Ergebnisse lassen darauf schließen, dass diese Methode verwendet werden kann, um solche Prozesse des Aufbrechens von Bindungen auch in anderen Molekülen zu untersuchen und abzubilden. Auf die weitere Entwicklung sind wir sehr gespannt."

Als nächstes möchten die Forschenden mit dieser Methode eine Reihe detaillierter Momentaufnahmen der Bewegung und Struktur eines Moleküls in verschiedenen Zeitintervallen während einer Reaktion zu einen Film der atomaren Bewegung zusammenfügen.

Michael Meyer, leitender Wissenschaftler bei SQS, sagte: "Wir freuen uns besonders über diese erste Veröffentlichung eines Nutzerexperiments bei SQS! Die Ergebnisse zeigen das große Potenzial und die neuen experimentellen Möglichkeiten unserer Experimentierstation. Sie bietet alle Voraussetzungen für die Untersuchung photochemischer Prozesse in noch nie dagewesener Detailschärfe, und wir freuen uns auf weitere Experimente mit unseren Nutzern. Mit mehreren tausend Blitzen pro Sekunde können wir Daten nicht nur viel schneller als je zuvor sammeln, sondern auch die Datenqualität verbessern. Das ist besonders wichtig für gasförmige Proben mit niedriger Dichte, weil diese schwächere Signale liefern als konzentrierte Proben und deshalb spezielle experimentelle Techniken erfordern."

REMI-Reaktionsmikroskop bei SQS

Das Experiment wurde mit Hilfe des Reaktionsmikroskops (REMI) durchgeführt, das ein Teil der SQS-Experimentierstation ist. Das REMI verwendet statische elektrische und magnetische Felder, um ionische Teilchen und Elektronen zu Detektoren auf gegenüberliegenden Seiten eines Spektrometers zu leiten. Aus den aufgezeichneten Momenten der Teilchen können deren Emissionsrichtungen und -energien sowie relative Winkel berechnet werden.

Im vorliegenden Experiment wurden zwei Ionen und zwei Elektronen aufgenommen, die vom gleichen Molekül emittiert wurden - ein sehr anspruchsvolles Experiment, das sehr gut vorbereitete experimentelle Bedingungen wie zum Beispiel ein Ultrahochvakuum erfordert. Das REMI ist ein vom BMBF geförderter Beitrag der Goethe-Universität Frankfurt.

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Quelle: European XFEL GmbH