Mit Lasern die Struktur von Molekülen kontrollieren

Forschende der Abteilungen Molekülphysik und Physikalische Chemie am Fritz-Haber-Institut der Max-Planck-Gesellschaft demonstrieren eine neue Kontrollmethode. Mit zwei synchronisierten Infrarotlasern steuern sie die strukturelle Umwandlung eines Moleküls. Die Methode liefert präzise Einblicke in mikroskopische Umwandlungsprozesse während chemischer Reaktionen. Dies ermöglicht neue grundlegende Erkenntnisse über elementare chemische Abläufe.

Kinetik und Energetik auf molekularer Ebene

Die experimentelle Bestimmung realer Reaktionswege und -geschwindigkeiten auf molekularer Ebene bildete die Kernfrage. Für das Experiment nutzten die Forschenden die zwei Strahlen des hauseigenen Infrarot-Freie-Elektronen-Lasers (IR-FEL). Damit steuerten sie gezielt die Population zweier unterschiedlicher struktureller Konformationen.

Der Reaktionsverlauf hängt maßgeblich von der Moleküldynamik auf spezifischen Energielandschaften ab. Moleküle wechseln dabei zwischen verschiedenen geometrischen Konformationen. Der neue Ansatz erlaubt die präzise Untersuchung solcher Modellsysteme. Isolierte Moleküle werden hierzu mittels Laser-Energieimpulsen gezielt manipuliert. Durch die Populationskontrolle zeichnen die Forschenden eindeutige Spektren einzelner Strukturen auf. Daraus lassen sich die strukturellen Umwandlungsprozesse exakt ableiten.

Dynamik in der Energielandschaft

Chemische Reaktionen bilden die Grundlage allen Lebens. Weltweit werden Methoden zur präzisen physikalischen Beschreibung, Vorhersage und Kontrolle chemischer Reaktionen entwickelt. Während der Reaktion durchlaufen Moleküle dreidimensionale Konformationsänderungen. Diese Prozesse entsprechen Bewegungen über eine Energielandschaft. Deren topografische Beschaffenheit determiniert den Reaktionsverlauf. Analog zu einem Ball im Hügelgelände müssen Moleküle energetische Barrieren überwinden. Nur so erreichen sie den nächsten stabilen Zustand.

In einer Vorstudie zeigte das Spektrum eines protonengebundenen Phosphat-Formiat-Komplexes scheinbare Lücken. Dies deutete auf eine laserinduzierte Isomerisierung hin. Zur detaillierten Untersuchung entwickelte das Team ein neues Zweifarben-Verfahren. Der modifizierte Doppel-Oszillator-IR-FEL des Fritz-Haber-Instituts ermöglichte diese Experimente. Dies eröffnet neue Zugänge zur Molekülsteuerung.

Spektroskopische Fingerabdrücke in superfluidem Helium

Die Forschenden isolierten die Molekülionen in ultrakalten Tröpfchen aus superfluidem Helium. Diese Umgebung knapp über dem absoluten Nullpunkt kühlt die Moleküle extrem ab. Dadurch absorbieren die Ionen über lange Zeiträume zerstörungsfrei Laserlicht. Durch die absorbierte Energie dampft sukzessive Helium aus den Tröpfchen ab. Nach multiplen Absorptionsereignissen generiert dieser Massenverlust ein messbares IR-Spektrum.

Führt die Energiezufuhr zu einer vorzeitigen Strukturänderung, verschwindet das Signal im Spektrum. Dem begegneten die Forschenden durch den simultanen Einsatz zweier Laser des durchstimmbaren IR-FELs. Dies sicherte die vollständige Populationskontrolle der molekularen Konformationen. Ein Laser initiierte die Isomerisierung. Der zweite Laser stellte die Ausgangsstruktur gezielt wieder her. Dies ermöglichte eine kontinuierliche Photoabsorption.

Die lange IR-Anregungszeit von bis zu 10 µs und die effiziente Helium-Kühlung erlaubten eine vollständige Konformationsumwandlung. Beide Strukturen konnten dadurch separat spektroskopiert werden. Ihr molekularer Fingerabdruck wurde somit experimentell zugänglich. Mit nur einem Laser bliebe dieser Effekt verborgen. Die Methode dient als leistungsstarkes Werkzeug zur gezielten Kontrolle molekularer Prozesse.

Analytische Spezifikationen des Zweifarben-IR-FEL

Infrarot-Freie-Elektronen-Laser (IR-FELs) sind prädestinierte Werkzeuge für die fortgeschrittene Spektroskopie. Im Gegensatz zu kommerziellen Lasersystemen emittieren sie auch bei langen Wellenlängen von über 15 µm. Zudem liefern IR-FELs hohe Photonendichten über längere Intervalle. Das ermöglicht einen signifikanten Energieeintrag in die Proben.

Seit 2013 emittiert der FHI-FEL intensive, gepulste Strahlung im mittleren Infrarotbereich. Der Wellenlängenbereich ist von 2,8 bis 50 µm kontinuierlich abstimmbar. Kürzlich folgte die Erweiterung um einen zweiten FEL-Zweig für den fernen Infrarotbereich bis 165 µm.

Die zeitliche Pulsstruktur des Laserlichts korreliert direkt mit dem generierenden Elektronenstrahl. Für den zweifarbigen Betrieb wird der FHI-FEL-Elektronenstrahl geteilt. Beide Teilstrahlen speisen separate optische Resonatoren mit unabhängig abstimmbaren Undulatoren. Dies gewährleistet eine perfekte Synchronisation beider Teilstrahlen. Das Resultat sind zwei unabhängig abstimmbare, weltweit einzigartige IR-FELs.

Quelle

Fritz-Haber-Institut der Max-Planck-Gesellschaft (07/2026)