Intens laserlys ændrer parringen af ​​elektroner

Den kvantemekaniske udvekslingsinteraktion mellem elektroner, en konsekvens af Pauli-udelukkelsesprincippet, kan specifikt modificeres med intense infrarøde lysfelter på tidsskalaer på få femtosekunder, som tidsopløste eksperimenter på svovlhexafluoridmolekyler viser. I fremtiden kan dette fund føre til bottom-up kontrol af kemiske reaktioner med lasere udelukkende baseret på elektroner, kemiens "lim".

Elektroner danner bindingerne i molekyler og spiller en afgørende rolle i kemiske reaktioner. I atomer og molekyler er elektronerne arrangeret på en sekvens af energiniveauer, der er karakteriseret ved kvantetal. For deres besættelse spiller interaktionen mellem disse elektroner med hinanden - kvantemekanisk kaldet udvekslingsinteraktion - også en vigtig rolle. Dette skyldes, at elektroner opfører sig som miniaturegyroskoper:De har et spin, der kan pege i to retninger. Ifølge kvantemekanikkens love må flere elektroner i et molekyle aldrig falde sammen i alle kvantetal, hvorfor elektroner med identisk justeret spin "går ud af vejen for hinanden". Dette er det berømte Pauli-udelukkelsesprincip. Kun elektroner med modsat spin kan på den anden side komme tættere på hinanden og danne par.

Elektronerne i atomer og molekyler kan exciteres med lys, dvs. de kan hæves fra et lavere energiniveau til et højere. Placeringen af ​​energiniveauerne bestemmer, hvilke lysfarver der absorberes - og disse er karakteristiske for det respektive atom eller molekyle, hvilket giver anledning til et unikt fingeraftryk i spektroskopi. Normalt frigiver elektronerne derefter denne energi meget hurtigt, for eksempel i form af lys (fluorescens) eller varme (bevægelse af kernerne). Direkte fotokemiske reaktioner kan dog også finde sted fra den exciterede tilstand af molekylet.

Christian Otts gruppe i Thomas Pfeifers afdeling ved MPI for Nuklear Fysik arbejder på specifikt at manipulere molekyler med lasere, så de gennemgår en bestemt reaktion. Nu er det lykkedes dem at tage et grundlæggende skridt mod dette mål med et tricky eksperiment og teoretisk model, som de har udviklet som en del af STRUCTURES Cluster of Excellence sammen med Maurits Haverkorts gruppe på Instituttet for Teoretisk Fysik ved Heidelberg Universitet.

For første gang realiserede fysikerne en metode til at påvirke og måle den effektive udvekslingsinteraktion mellem flere elektroner bundet i et molekyle med to forskelligt farvede laserimpulser. Ved hjælp af blødt røntgenlys exciterede de en elektron, der var dybt bundet til svovlatomet i et svovlhexafluoridmolekyle, og udvidede derved dets bevægelsesradius til hele molekylet i kort tid, før det forlader molekylet. På grund af den såkaldte spin-orbit-interaktion mellem de dybtbundne elektroner, der forbliver der, frembringer hullet dannet ved svovlatomet derved en karakteristisk dobbeltstruktur af to linjer, der kan måles i røntgenabsorptionsspektret. "Nu ændrer udvekslingsinteraktionen af ​​den exciterede elektron med dette resterende hul imidlertid denne dobbeltstruktur igen," forklarer Patrick Rupprecht, Ph.D. studerende på MPIK og førsteforfatter på undersøgelsen.

Samtidigt bestrålet intenst infrarødt laserlys gør det nu muligt at drive den exciterede elektron endnu længere i sin bevægelse:Dette er polarisering. Som undersøgelsen offentliggjort i Physical Review Letters har vist, fører dette til en modificeret effektiv udvekslingsinteraktion med hullet ved svovlatomet. Dette viste sig i eksperimentet som en karakteristisk ændring i den relative styrke af de to linjer og kan tilskrives symmetriegenskaberne for de involverede elektroniske tilstande.

"For udelukkende at studere elektronernes bevægelse, med ubetydelig indflydelse af den efterfølgende nukleare bevægelse, brugte vi en ultrahurtig teknik med korte laserimpulser, der kun varer et par femtosekunder," tilføjer gruppeleder Christian Ott. "Målingerne viser, at laseren signifikant påvirker den effektive udvekslingsinteraktion mellem de involverede elektroner - og at graden af ​​denne påvirkning kan styres af laserintensiteten." Kvanteteoretiske ab-initio-simuleringer underbygger resultatet, som viser vejen til at bruge lasere som en slags fundamentale kemiske reagenser, der direkte adresserer det kvantemekaniske niveau af bindingselektronerne. + Udforsk yderligere

Måling af Einsteins fotoelektriske effekt:Tiden det tager for en elektron at blive frigivet