3D-Licht liefert neuen Weg zur Untersuchung von chiralen Molekülen

Durch die gezielte Überlagerung von zwei extrem kurzen Laserpulsen aus unterschiedlichen Raumrichtungen ist einem Physikerteam der Universität Oldenburg die Erzeugung dreidimensionaler Lichtfelder gelungen. Mit diesem Verfahren versetzten die Forschenden Elektronen in bisher experimentell unzugängliche Quantenzustände. Die Methode eröffnet neuartige analytische und experimentelle Perspektiven für die Untersuchung chiraler Strukturen, die präzise Steuerung von Licht-Materie-Wechselwirkungen sowie den Zugang zu neuartigen elektronischen Zuständen. „Mit unserer Methode können wir bisher nur theoretisch beschriebene elektronische Quantenzustände erzeugen und diese zudem räumlich sichtbar machen“, erklärt Prof. Dr. Matthias Wollenhaupt. „Damit erweitern wir den experimentellen Werkzeugkasten der Optik um eine neue Klasse von dreidimensionalen Lichtfeldern.“

Femtosekunden-Laserspektroskopie und kohärente Feldkontrolle

Zur Generierung der dreidimensionalen Lichtfelder kombinierten die Wissenschaftler zwei spektral unterschiedliche, speziell geformte Femtosekunden-Laserpulse im Kreuzungspunkt zweier Strahlengänge. Durch die kohärente Überlagerung der ultrakurzen Pulse entstanden räumlich kontrollierbare Lichtfelder. „Die Felder schwingen in allen drei Raumrichtungen und eröffnen damit neue Möglichkeiten, bestimmte Licht-Materie-Wechselwirkungen zu untersuchen und zu kontrollieren“, erklärt Darius Köhnke. Der entscheidende messtechnische Vorteil liegt in der Möglichkeit, quantenmechanische Zustände von Elektronen gezielt zu adressieren und zu manipulieren.

Zur experimentellen Validierung dienten Kalium-Atome. Durch die Bestrahlung mit dem 3D-Lichtfeld wurden Atomelektronen in definierte hochangeregte Zustände überführt und anschließend photoionisiert. Die zeitaufgelöste Spektroskopie funktionierte hierbei analog zu einer stroboskopischen Ultrakurzzeit-Kamera. Mit der konnten die dynamischen Zustandsübergänge der Elektronen mit hoher Zeitauflösung schrittweise abgebildet und filmisch rekonstruiert werden.

Anwendungspotenzial in der Chiralitätsanalytik

Ein wesentliches Anwendungsfeld des neuen Verfahrens liegt in der Differenzierung und Analyse chiraler Moleküle, die in Biochemie, Pharmazie und Medizin von zentraler Bedeutung sind. Enantiomere biomolekularer Verbindungen wie Aminosäuren, Kohlenhydrate oder Wirkstoffe weisen trotz identischer Summenformel oft konträre biologische Aktivitäten auf. Das ist eine Problematik, die historisch unter anderem durch den Contergan-Wirkstoff Thalidomid evident wurde, dessen eines Enantiomer teratogen wirkt, während das andere die gewünschte pharmakologische Wirkung zeigt.

Aufgrund der spiegelbildlichen Symmetrie gestaltet sich die analytische Trennung und eindeutige Charakterisierung chiraler Substanzen häufig anspruchsvoll. Dreidimensionale Lichtfelder bieten hier neue Lösungsansätze: „Theoretische Studien zeigen, dass dreidimensionale Lichtfelder ebenfalls chirale Eigenschaften besitzen können“, erläutert Wollenhaupt. Das Potenzial dieser Methodik für die Molekülspektroskopie hob auch die Physikerin Prof. Dr. Olga Smirnova unter dem Titel „A New Age of Molecular Chirality“ hervor. Die Oldenburger Ergebnisse liefern hierfür die experimentelle Grundlage.

Quelle

Carl von Ossietzky-Universität Oldenburg (09/2026)