Detaljeret observation af kemiske processer ved hjælp af en bordplade laser og specialdetektor

Et team af forskere fra Helmholtz Institute Jena og DESY har banet vejen for at bruge konventionelle lasere til at observere kemiske bindinger, der brydes fra hinanden. Til deres eksperimenter, forskerne kombinerede højtydende lysgenerering og detektionskomponenter fra de to Helmholtz-institutioner. Den resulterende opsætning danner grundlag for at observere højhastigheds-processer med en opløsning på 30 milliarder af et sekund (30 femtosekunder). Ud over, opsætningen er så kompakt og robust, at den kan tjene som en prototype til måleudstyr, der kan installeres og betjenes selv på mindre faciliteter og universiteter.

Hvad sker der, når en kemisk binding brydes? Hvordan forbinder individuelle atomer et molekyle, og løsrive sig fra hinanden igen? Forståelse af dynamikken i kemiske processer beskrives ofte som den "hellige gral" i fysisk kemi; når du forstår, hvad der sker, du er i stand til at påvirke sådanne bindinger og måske endda designe helt nye materialer.

At observere sådanne kemiske processer med stor præcision kræver højhastighedskameraer med en ekstremt høj tidsmæssig og rumlig opløsning, såsom den røntgenfrie elektronlaser European XFEL, som i øjeblikket er ved at blive bygget i Hamborgs storbyregion og vil give forskere mulighed for at se på individuelle molekyler og atomer. Imidlertid, en laser, der udsender kortbølge ultraviolet lys, er alt, hvad der er nødvendigt for at observere kemiske bindinger, der brydes i små molekyler-det og en tilfældighedsdetektor af den type, der er udviklet til synkrotron- og røntgenlasereksperimenter.

I deres eksperimenter, Helmholtz-forskerne affyrede korte pulser af højintensivt XUV-lys mod iodomethanmolekyler (CH3I), også kaldet methyliodid, bestående af et jodatom og en methylgruppe (CH3). Lyset brød bindingen mellem jod og methylgruppen, og fragmenterne af molekylet blev fanget og målt i et spektrometer. Dette gjorde det muligt at udlede omlejringen af ​​elektronerne i det ophidsede molekyle, og dermed de efterfølgende inducerede kemiske processer.

Eksperimenterne var baseret på et bordlasersystem til lys i det såkaldte ekstreme ultraviolette område (XUV). Laseren, som blev udviklet på Helmholtz Institute Jena, producerer meget kort, højintensitetspulser af XUV ved først stærkt at forstærke en puls af infrarød stråling i en optisk fiber, og efterfølgende generering af ulige multipla af den originale laserfrekvens. Til disse forsøg, en af ​​disse såkaldte højere harmoniske frekvenser, med en bølgelængde på omkring 18 nanometer, blev ekstraheret ved hjælp af specielle optiske enheder og brugt til eksperimentet.

"XUV -lasersystemet producerer lysglimt bestående af en million fotoner, som kun varer 30 femtosekunder, med en pulsfrekvens på op til 100 kilohertz, "forklarer professor Jens Limpert. Jan Rothhardt, der hjalp med at udvikle laseren, tilføjer:"Kombinationen af ​​en høj fotonflux og meget høj gentagelseshastighed i kombination med meget høj stabilitet kvalificerer dette system, i princippet, at udføre brugerforsøg i kemisk dynamik. "

Brug af højere harmoniske til at producere pulserne giver en ekstra indbygget fordel:en kemisk reaktion kan udløses af en lyspuls produceret af laseren, og derefter undersøgt efter en bestemt tid ved hjælp af en puls af XUV -stråling produceret af den samme laser. "Forsinkelsen mellem den første og den anden puls kan justeres med en høj grad af præcision, "siger Rothhardt. Denne" pumpe og sonde "-teknik blev endnu ikke brugt i den første række forsøg, men den er allerede blevet testet og skal indgå i opfølgende forsøg.

En anden vigtig komponent i eksperimenterne var en kompleks prøve og detektorkammer, udviklet til brug i frie elektronlasere (FEL'er), som allerede var blevet indsat i DESYs FLASH- og PETRA III -acceleratorer. I dette CAMP eksperimentelle kammer, drives af Daniel Rolles 'gruppe på det tidspunkt, prøven blev affyret i lysstrålen som en tynd stråle, der kørte med supersonisk hastighed. Interaktionen med XUV -strålingen ødelagde molekylerne, og egenskaberne af de fragmenter, der flyver væk, blev målt med stor præcision i et indbygget spektrometer. Tilfældighedsmålinger gjorde det muligt at tildele de indfangede fragmenter til deres originale molekyler, og den præcise karakterisering af byggestenene betyder, at brud på bindingen kan dechiffreres over tid.

"Ved at samle de eksperimentelle og videnskabelige muligheder fra Jena og Hamburg, vi åbner nye muligheder for at observere kemisk dynamik, "siger DESY -videnskabsmand professor Jochen Küpper, hvem startede eksperimenterne, og som også er medlem af Center for Free-Electron Laser Science og Hamburg Center for Ultrafast Imaging ved University of Hamburg. DESY -videnskabsmanden Tim Laarmann tilføjer:"I det næste trin, vi vil bruge apparatet til at udføre pumpe- og sondeeksperimenter. I princippet, denne opstilling burde faktisk give os mulighed for at opnå meget højere tidsopløsninger på mindre end et femtosekund, gør det muligt at observere ekstremt hurtige bevægelser af elektroner i komplekse molekyler. "