Intensives Laserlicht ändert Paarungsverhalten von Elektronen
In Zukunft chemische Reaktionen von Grund auf mit Lasern steuern – rein auf Basis der Elektronen, dem „Klebstoff“ der Chemie
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Die quantenmechanische Austauschwechselwirkung zwischen Elektronen, eine Konsequenz des Pauli-Prinzips, kann man mit intensiven Infrarot-Lichtfeldern auf Zeitskalen weniger Femtosekunden gezielt verändern, wie zeitaufgelöste Experimente an Schwefelhexafluorid-Molekülen zeigen. Dieses Ergebnis weist einen Weg, um in Zukunft chemische Reaktionen von Grund auf mit Lasern zu steuern – rein auf Basis der Elektronen, dem „Klebstoff“ der Chemie.
Austauschwechselwirkung zwischen dem durch Röntgenlicht angeregten Elektron (e-) und dem zurückgelassenen Loch im aufgespaltenen Energieniveau (h+ in Kreis bzw. Oval) ohne (oben) und mit (unten) Infrarot-Laserpuls, der das Elektron weiter anregt.
MPIK
Sichtbar gemachter Strahlengang des Experiments.
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Elektronen bilden die Bindungen in Molekülen und spielen eine entscheidende Rolle bei chemischen Reaktionen. In Atomen und Molekülen sind die Elektronen auf einer Folge von Energieniveaus angeordnet, die durch Quantenzahlen charakterisiert sind. Bei deren Besetzung spielt auch die Wechselwirkung der Elektronen untereinander – quantenmechanisch als Austauschwechselwirkung bezeichnet – eine wichtige Rolle. Denn Elektronen verhalten sich wie Miniaturkreisel: sie besitzen einen Spin, der in zwei Richtungen zeigen kann. Da nach den Gesetzen der Quantenmechanik nie mehrere Elektronen eines Moleküls in allen Quantenzahlen übereinstimmen dürfen, gehen sich Elektronen mit gleich ausgerichtetem Spin „aus dem Weg“. Das ist das berühmte Pauli-Prinzip. Nur Elektronen mit entgegengesetztem Spin können sich hingegen näherkommen und Paare bilden.
Die Elektronen in Atomen und Molekülen lassen sich mit Licht anregen, also von einem niedrigen Energieniveau in ein höheres anheben. Dabei bestimmt die Lage der Energieniveaus, welche Lichtfarben absorbiert werden – und die sind bezeichnend für das jeweilige Atom oder Molekül und liefern ein charakteristisches Spektrum. Üblicherweise geben die Elektronen diese Energie anschließend sehr schnell wieder ab, zum Beispiel in Form von Licht (Fluoreszenz) oder Wärme (Bewegung der Kerne). Aus dem angeregten Zustand des Moleküls heraus können aber auch direkte photochemische Reaktionen stattfinden.
Die Gruppe von Christian Ott in der Abteilung von Thomas Pfeifer am MPI für Kernphysik arbeitet daran, Moleküle mit Lasern gezielt so zu manipulieren, dass sie eine bestimmte – und nur diese – Reaktion eingehen. Nun gelang ihnen ein grundlegender Schritt in diese Richtung mit einem trickreichen Experiment und theoretischen Modell, das sie im Rahmen des STRUCTURES Exzellenzclusters zusammen mit der Gruppe von Maurits Haverkort am Institut für theoretische Physik der Universität Heidelberg entwickelt haben.
Die Physiker realisierten erstmals ein Verfahren, um mit zwei verschiedenfarbigen Laserpulsen die effektive Austauschwechselwirkung zwischen mehreren im Molekül gebundenen Elektronen zu beeinflussen und zu vermessen. Mit weichem Röntgenlicht regten sie in einem Schwefelhexafluorid-Molekül ein tief an das Schwefelatom gebundenes Elektron an, und erweiterten damit dessen Bewegungsradius für kurze Zeit auf das gesamte Molekül, bevor es dieses verlässt. Das am Schwefelatom entstandene Loch, beeinflusst durch die sogenannte „Spin-Bahn-Wechselwirkung“ der dort verbleibenden tief-gebundenen Elektronen, erzeugt dabei eine im Röntgen-Absorptionsspektrum messbare charakteristische Doppelstruktur zweier Linien. „Nun ist es aber so, dass durch die Austauschwechselwirkung des angeregten Elektrons mit diesem zurückbleibenden Loch diese Doppelstruktur nochmals verändert wird“, erklärt Patrick Rupprecht, Doktorand am MPIK und Erstautor der Studie.
Gleichzeitig eingestrahltes intensives Infrarot-Laserlicht ermöglicht es nun, das angeregte Elektron in seiner Bewegung noch weiter zu treiben: Man sagt es wird „polarisiert“. Wie sich in der Studie herausstellte, führt dies zu einer geänderten effektiven Austauschwechselwirkung mit dem Loch am Schwefelatom. Dies zeigte sich im Experiment an einer charakteristischen Änderung der relativen Stärke der beiden Linien und ist auf die Symmetrieeigenschaften der beteiligten elektronischen Zustände zurückzuführen. „Um ausschließlich die Bewegung der Elektronen möglichst ohne Einfluss der darauf folgenden Kernbewegung zu untersuchen, haben wir eine ultraschnelle Technik mit kurzen Laserpulsen von wenigen Femtosekunden Dauer eingesetzt“, ergänzt Gruppenleiter Christian Ott. „Die Messungen zeigen, dass der Laser die effektive Austauschwechselwirkung zwischen den beteiligten Elektronen erheblich beeinflusst – und dass das Maß dieser Beeinflussung durch die Intensität des Lichts kontrollierbar ist.“ Quantentheoretische ab-initio-Simulationen untermauern das Ergebnis, das einen Weg weist zum Einsatz von Lasern als eine Art fundamentaler chemischer Reagenzien, die direkt auf der quantenmechanischen Ebene der Bindungselektronen ansetzen.
Originalveröffentlichung
Laser control of electronic exchange interaction within a molecule, Patrick Rupprecht, Lennart Aufleger, Simon Heinze, Alexander Magunia, Thomas Ding, Marc Rebholz, Stefano Amberg, Nikola Mollov, Felix Henrich, Maurits W. Haverkort, Christian Ott, and Thomas Pfeifer, Phys. Rev. Lett. 128, 153001 (2022)
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