Ultrahurtig elektrondynamik i rum og tid

Ofte afbildet som farverige balloner eller skyer, elektronorbitaler giver oplysninger om, hvor elektroner befinder sig i molekyler, lidt som fuzzy snapshots. For at forstå udveksling af elektroner i kemiske reaktioner, det er ikke kun vigtigt at kende deres rumlige fordeling, men også deres bevægelse i tide. Forskere fra Julich, Marburg, og Graz har nu gjort store fremskridt i denne retning:De optog med succes orbitalbilleder med en ekstremt høj tidsmæssig opløsning.

"I årtier, kemi har været styret af to ambitionsmål, "siger professor Stefan Tautz, leder af Quantum Nanoscience underinstitut i Forschungszentrum Jülich. "En af disse er at forstå kemiske reaktioner direkte fra den rumlige fordeling af elektroner i molekyler, mens den anden sporer elektrondynamik over tid under en kemisk reaktion. "Begge disse mål er nået i separate banebrydende opdagelser inden for kemi:grænsemolekylær orbitalteori forklarede elektronfordelingens rolle i molekyler under kemiske reaktioner, mens femtosekundspektroskopi gjorde det muligt at observere overgangstilstande i reaktioner. "Det har længe været en drøm om fysisk kemi at kombinere disse to udviklinger og derefter spore elektroner i en kemisk reaktion i tid og rum."

Forskerne er nu kommet et stort skridt tættere på at nå dette mål:De observerede elektronoverførselsprocesser ved en metal -molekylgrænseflade i rum og tid. Sådanne grænseflader er fokus for forskning i den tyske forskningsfonds Collaborative Research Center 1083 på Philipps-Universität Marburg, og det var eksperimenter udført her, der førte til dagens publikation. "Grænseflader synes i første omgang ikke at være mere end to lag side om side, der henviser til, at de faktisk er stedet, hvor materialernes funktioner kommer til. De spiller derfor en afgørende rolle i teknologiske applikationer, "siger Ulrich Höfer, professor i eksperimentel fysik ved Philipps-Universität Marburg og talsmand for forskningscenter. I organiske solceller, for eksempel, kombination af forskellige materialer ved en grænseflade forbedrer opdelingen af ​​de tilstande, der er begejstrede for indfaldende lys, dermed lader strøm strømme. Grænseflader spiller også en central rolle i OLED-displays (organiske lysemitterende dioder), der bruges i smartphones, for eksempel.

Den eksperimentelle tilgang, som forskerne har brugt, er baseret på et gennembrud for et par år siden inden for molekylær spektroskopi:fotoemission orbital tomografi, som i sig selv er baseret på den velkendte fotoelektriske effekt. "Her, et lag af molekyler på en metaloverflade bombarderes med fotoner, eller lyspartikler, som ophidser elektronerne og får dem til at frigives, "siger professor Peter Puschnig fra University of Graz." Disse frigivne elektroner flyver ikke bare rundt i rummet, men - og dette er det afgørende punkt - baseret på deres vinkelfordeling og energifordeling, de giver en god indikation af elektronernes rumlige fordeling i molekylære orbitaler. "

"Nøgleresultatet af vores arbejde er, at vi kan overskue orbitale tomogrammer med ultrahøj opløsning over tid, "siger Dr. Robert Wallauer, gruppeleder og forskningsassistent ved Philipps-Universität Marburg. For at gøre det, forskerne brugte ikke kun specielle lasere med ultrakorte pulser i femtosekundområdet til at ophidse elektronerne i molekylerne; de brugte også et nyt impulsmikroskop, som samtidigt målte retningen og energien af ​​elektronerne frigivet med meget høj følsomhed. Et femtosekund er 10 ^-15 sekunder - en milliontedel af en milliarddel af et sekund. I forhold til et sekund, dette er så lidt som et sekund i forhold til 32 millioner år. Sådanne korte impulser er som en slags stroboskoplys og kan bruges til at nedbryde hurtige processer til individuelle billeder. Dette gjorde det muligt for forskerne at spore elektronoverførslen som i slowmotion. "Dette gjorde det muligt for os at spacere elektronisk excitationsveje i rummet næsten i realtid, "siger Tautz." I vores eksperiment, en elektron blev først exciteret fra sin oprindelige tilstand til en ubeboet molekylær orbital af en første laserpuls, før en anden laserpuls gjorde det muligt endelig at nå detektoren. Ikke alene kunne vi observere denne proces i detaljer over tid, men tomogrammerne tillod os også tydeligt at spore, hvor elektronerne kom fra. "

"Vi mener, at vores fund repræsenterer et afgørende gennembrud mod målet om at spore elektroner gennem kemiske reaktioner i rum og tid, "siger Ulrich Höfer." Ud over den grundlæggende indsigt i kemiske reaktioner og elektronoverførselsprocesser, disse fund vil også have meget praktiske konsekvenser. De åbner utallige muligheder for optimering af grænseflader og nanostrukturer og de resulterende processorer, sensorer, viser, organiske solceller, katalysatorer, og muligvis endda applikationer og teknologier, vi ikke engang har tænkt på endnu. "

Undersøgelsen er offentliggjort i Videnskab .