Verdens korteste laserpuls

ETH-forskere lykkedes med at forkorte pulsvarigheden af ​​en røntgenlaser til kun 43 attosekunder. Med en tidsopløsning i området på nogle få kvintilliontedele af et sekund, de er nu i stand til for første gang at observere elektronernes bevægelse under kemiske reaktioner i slowmotion.

For fuldt ud at forstå dynamikken under en kemisk reaktion, videnskabsmænd skal være i stand til at studere alle bevægelser af atomer og molekyler på deres grundlæggende tidsskala.

Molekyler roterer i intervallet af picosekunder (10-12 s), deres atomer vibrerer inden for femtosekundersområdet (10-15 s), og elektronerne bevæger sig i området af attosekunder (10-18 s). ETH-professor Hans Jakob Wörner og hans gruppe er nu lykkedes med at generere verdens korteste laserpuls med en varighed på kun 43 attosekunder. Mere generelt set, denne laserpuls er den korteste kontrollerede begivenhed, der nogensinde er blevet skabt af mennesker. Forskerne kan nu i detaljer observere, hvordan elektroner bevæger sig i et molekyle, eller hvordan kemiske bindinger dannes.

Nedbrydning af overgangstilstande

Med udgangspunkt i en infrarød laser, forskerne genererer en blød røntgenlaserpuls med en meget stor spektral båndbredde. Som resultat, forskellige grundstoffer, herunder fosfor og svovl, kan observeres direkte ved at excitere deres indre skalelektroner. Begge grundstoffer er til stede i biomolekyler, og det er nu muligt at observere dem med hidtil uset tidsopløsning.

Men hvad er fordelen ved at kunne observere reaktionstrinnene nu med endnu højere opløsning? "Jo hurtigere en ladningsoverførsel kan finde sted, jo mere effektivt kan en reaktion forløbe", siger prof. Wörner. Det menneskelige øje er for eksempel meget effektivt, når det kommer til at konvertere fotoner til nervesignaler. I rhodopsin, et visuelt pigment i nethinden, det lysfølsomme molekyle retinal er forudindrettet på en sådan måde, at dets struktur kan ændre sig ekstremt hurtigt gennem absorption af kun en enkelt foton. Dette muliggør den visuelle proces selv i tusmørke. En meget langsommere reaktion ville gøre syn umuligt, fordi fotonens energi ville blive omdannet til varme på kun få picosekunder.

Attosecond spektroskopi kunne bidrage til udviklingen af ​​mere effektive solceller, da det nu for første gang er muligt at følge excitationsprocessen gennem sollys op til genereringen af ​​elektricitet trin for trin. En detaljeret forståelse af ladningsoverførselsvejen kan hjælpe med at optimere effektiviteten af ​​den næste generation af lysfølsomme elementer.

Optisk manipulation af reaktionsprocessen

Attosecond laserspektroskopi er ikke kun egnet til blot observation, Prof. Wörner forklarer. Kemiske reaktioner kan også manipuleres direkte:Brug af en laserpuls kan ændre forløbet af en reaktion - selv kemiske bindinger kan brydes ved at stoppe ladningsskiftet på et bestemt sted i molekylet. Sådanne målrettede indgreb i kemiske reaktioner har ikke været mulige indtil nu, da tidsskalaen for elektronbevægelse i molekyler tidligere var uopnået.

Prof. Wörners gruppe arbejder allerede på den næste generation af endnu kortere laserimpulser. Disse vil gøre det muligt at optage endnu mere detaljerede billeder, og takket være et bredere røntgenspektrum kan endnu flere elementer sonderes end før. Snart vil det være muligt at følge migrationen af ​​elektroner i mere komplekse molekyler med en endnu højere tidsopløsning.