Zeitaufgelöste Messung molekularer Strukturdynamik – angeregt und abgefragt durch extrem ultraviolettes Licht

Physiker der Gruppe um Christian Ott (Abteilung von Thomas Pfeifer) am MPIK haben erstmals eine zeitaufgelöste absorptionsspektroskopische Untersuchung eines kleinen Moleküls allein mit extrem-ultravioletten (XUV) Lichtpulsen demonstriert: die photoinduzierte Strukturdynamik von Diiodmethan. Mittels der kurzen Wellenlänge von XUV-Laserpulsen können einzelne Atome im Molekül über eine wohldefinierte elektronische Anregung gezielt angesprochen werden.

Das Experiment wurde am Freie-Elektronen-Laser in Hamburg (FLASH) durch Leitung einer großen internationalen Kollaboration von Wissenschaftsteams durchgeführt. Zwei identische XUV-Pulse mit variabler Zeitverzögerung wechselwirken nacheinander mit einem Iod-Atom von CH2I2 (siehe Abb. 1). Die Anregung während des ersten Pulses löst die Dissoziation des Moleküls aus, die eine Strukturdeformation über einen kurzlebigen Isomer-Zustand (siehe Skizzen ①②③) beinhaltet. Dies wiederum verändert das XUV-Absorptionsverhalten von CH2I2, das durch zeitabhängige Spektroskopie mit dem zweiten XUV-Puls analysiert werden kann. Die Änderung des Absorptionssignals (rot: Verstärkung, blau: Verminderung) ist bei einer Verzögerung von etwa 200 Femtosekunden (fs) deutlich sichtbar. Diese zeitaufgelöste Information über den Reaktionsverlauf durch die entsprechende transiente Molekülstruktur ② wurde durch den Vergleich von experimentellen Spektren mit Berechnungen in der Arbeitsgruppe Theoretische Chemie von Alexander Kuleff am Institut für Physikalische Chemie der Universität Heidelberg gewonnen.

Insgesamt ist diese Arbeit ein entscheidender Schritt in Richtung der Verwendung von Freie-Elektronen-Lasern für zeitaufgelöste Messungen von sich bewegenden Atomen in Molekülen (sogenannte „Molekülfilme“): In Zukunft werden noch größere Bandbreiten und mehrfarbige Modi zur Anregung und Abtastung verschiedener elektronischer Übergänge verfügbar – mit „lokaler“ atom-spezifischer spektroskopischer Auflösung. Dies zeigt auch den weiteren Weg auf, um zukünftig letztendlich die molekulare Struktur auf der fundamentalen atomaren und elektronischen Ebene zu kontrollieren.


Originalpublikation:

All-XUV pump-probe transient absorption spectroscopy of the structural molecular dynamics of di-iodomethane
Marc Rebholz, Thomas Ding, Victor Despré, Lennart Aufleger, Maximilian Hartmann, Kristina Meyer, Veit Stooß, Alexander Magunia, David Wachs, Paul Birk, Yonghao Mi, Gergana Dimitrova Borisova, Carina da Costa Castanheira, Patrick Rupprecht, Georg Schmid, Kirsten Schnorr, Claus Dieter Schröter, Robert Moshammer, Zhi-Heng Loh, Andrew R. Attar, Stephen R. Leone, Thomas Gaumnitz, Hans Jakob Wörner, Sebastian Roling, Marco Butz, Helmut Zacharias, Stefan Düsterer, Rolf Treusch, Günter Brenner, Jonas Vester, Alexander I. Kuleff, Christian Ott and Thomas Pfeifer
Phys. Rev. X 11, 031001 (2021). DOI: 10.1103/PhysRevX.11.031001


Weitere Informationen:

Forschungsgruppe „Angeregte Atome und Moleküle in starken Feldern“

Theoretical Chemistry Group (PCI Universität Heidelberg)

Freie-Elektronen-Laser FLASH (DESY)

Abteilung Quantendynamik und -kontrolle


Kontakt

Dr. Marc Rebholz
Tel.: (+49)6221-516-335
marc.rebholzmpi-hd.mpgde

Prof. Dr. Alexander Kuleff
Physikalisch-Chemisches Institut
Universität Heidelberg
Tel.: (+49)6221-54-5218
alexander.kuleffpci.uni-heidelbergde

Dr. Christian Ott
Tel.: (+49)6221-516-577
christian.ottmpi-hd.mpgde

Prof. Dr. Thomas Pfeifer
Tel.: (+49)6221-516-380
thomas.pfeifermpi-hd.mpgde


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Abb. 1: XUV-Pump-Probe-Schema für die zeitaufgelöste Messung der molekularen Strukturdynamik von Diiodomethan-Molekülen. Grafik: © MPIK