Mit korkenzieherförmigen Laserpulsen haben die Wissenschaftler bei DESY eine erweiterte optische Zentrifuge entworfen, die Moleküle extrem schnell um eine gewünschte molekulare Achse drehen lassen kann. Die innovative Methode eröffnet neue Möglichkeiten, superschnell rotierende Moleküle, sogenannte Superrotoren, zu kontrollieren und zu untersuchen. Bislang können optische Zentrifugen Moleküle nur um eine einzige, vorgegebene Achse rotieren lassen. Mit der neuen Methode lässt sich nun zwischen zwei Achsen wählen, wie die Entwickler Alec Owens, Andrey Yachmenev und Jochen Küpper von der Controlled Molecule Imaging (CMI) Gruppe am Center for Free-Electron Laser Science (CFEL) im „Journal of Physical Chemistry Letters“ berichten. Das CFEL ist eine Kooperation von DESY, der Max-Planck-Gesellschaft und der Universität Hamburg.

Optische Zentrifugen sind rotierende Laserpulse und können Moleküle schneller als zehn Billionen Mal pro Sekunde rotieren lassen. Solche molekularen Superrotoren sind interessante Untersuchungsobjekte, denn sie zeigen oft unerwartete Verhaltensweisen und eignen sich für Streuungs-, Spektroskopie- und Dynamik-Experimente. Superrotoren können bei Kollisionen erhebliche Energie einbringen und sich gleichzeitig wie winzige Kreisel verhalten, die unempfindlich gegen Kollisionen und Neuausrichtung sind.

„Die Kontrolle ultraschneller Rotationen von Molekülen hat in den vergangenen Jahren dank innovativer Entwicklungen in der Laserphysik bei hohen Feldstärken enorme Fortschritte gemacht“, sagt Owens, der seine Arbeit im Rahmen des Hamburger Center for Ultrafast Imaging CUI gemacht hat, einem Exzellenzcluster der Universität Hamburg. Optische Zentrifugen fangen Moleküle normalerweise allerdings immer entlang derjenigen Achse ein, an der entlang sich die elektrischen Ladungen des Moleküls am leichtesten bewegen lassen, um einen sogenannten Dipol zu bilden. Nur diese Achse des Moleküls folgt dann dem rotierenden Laserfeld und beginnt, sich immer schneller zu drehen.

Das vom CMI-Team entwickelte Verfahren verwendet dagegen einen Korkenzieherlaser, der wiederholt ein- und ausgeschaltet wird. Diese modifizierte optische Zentrifuge ermöglicht damit die Wahl zwischen zwei Rotationsachsen des Moleküls. Am Beispiel von Schwefelwasserstoff (H₂S) zeigen die Forscher in ihrer die Studie, wie sich die Rotation solcher asymmetrischen Moleküle steuern lässt. Um den Korkenzieherlaser ein- und auszuschalten, nutzt das neue Konzept eine dem Laserfeld überlagerte einhüllende Oszillation. Je nach Wahl der Einhüllenden können die Moleküle in verschiedene Rotationszuständen angeregt werden, was dann zu einer Rotation um eine von zwei verschiedenen Achsen führt.

„Ein solches Schema zur Kontrolle der Drehimpulsausrichtung eines Moleküls kann für die Untersuchung von Streuungen eines Moleküls an einem anderen oder an einer Oberfläche sehr nützlich sein, da sich das Streuergebnis durch die Kontrolle der Rotationsachse verändern und sich so die Stereodynamik des Streuvorgangs untersuchen lässt“, erklärt Yachmenev. Ebenso interessant ist die hohe Energie der Superrotoren, die sich durch die Länge des Zentrifugen-Pulses beeinflussen lässt.

 

Originalarbeit:
„Coherent Control of the Rotation Axis of Molecular Superrotors“; A. Owens, A. Yachmenev, and J. Küpper; „The Journal of Physical Chemistry Letters“, 2018; DOI: 10.1021/acs.jpclett.8b01689

 

Weitere Informationen:
Controlled Molecule Imaging Group am Center for Free-Electron Laser Science: https://www.controlled-molecule-imaging.org