Auf dem Weg zu neuen Reaktionspfaden

Einblicke in die molekulare Dynamik im ultrakurzen Zeitfenster nach UV-Anregung

30.10.2024

Die Attosekundengruppe am Center for Free-Electron Laser Science am DESY hat eine neuartige Lichtquelle entwickelt, die extrem kurze Pulse zur Untersuchung von UV-induzierten molekularen Dynamiken mit bisher unerreichter zeitlicher Auflösung erzeugen kann. Die Forschenden von DESY und der Universität Hamburg beschreiben ihre einzigartigen Beobachtungen in „Nature Communications“.

Ultraviolette (UV) Strahlung, die durch die Atmosphäre dringt, löst viele photochemische und photobiologische Prozesse in Molekülen aus, wie z. B. DNA-Schäden. Das Fehlen extrem kurzer UV-Pulse hat Forschende bisher daran gehindert, die ultraschnellen Mechanismen, die in den sehr frühen Phasen der Licht-Molekül-Wechselwirkungen auftreten, vollständig zu erfassen. Die ersten Femtosekunden nach der Lichtabsorption sind jedoch von besonderer Bedeutung, da in dieser Zeit die konzertierte Bewegung von Elektronen und Atomkernen stattfindet, die letztlich die molekulare Reaktivität bestimmt. Ein besseres Verständnis der UV-induzierten Prozesse in Molekülen in diesem engen Zeitfenster ist der Schlüssel zu neuen Reaktionswegen.

In ihrer jüngsten Arbeit wollten die Forschenden herausfinden, ob es möglich ist - wenn die UV-Anregung in einem Molekül so schnell ist, dass sie stattfindet, bevor sich die Kerne in Bewegung setzen - durch das Agieren auf einer Zeitskala von wenigen Femtosekunden die Reaktivität des Systems auf deutlich längeren Zeitskalen zu beeinflussen.

Mit ihrer neuartigen Lichtquelle untersuchten sie Jodmethan, ein Referenzmolekül für die Ultraviolett-Spektroskopie, und fanden heraus, dass innerhalb eines engen Zeitfensters von etwa 5 Femtosekunden nach der Anregung des Moleküls ein zweiter Laserpuls dessen Zerfall verhindern kann. „Das ist aufgrund der langen Dauer der UV-Pulse, die typischerweise für Laserexperimente verwendet werden, noch nie beobachtet worden“, sagt Francesca Calegari, Leiterin der Attosekundengruppe, leitende Wissenschaftlerin bei DESY, Professorin an der Universität Hamburg und Sprecherin des Exzellenzclusters „CUI: Advanced Imaging of Matter“. Ohne den zweiten Puls zerfällt das Molekül unweigerlich.

„Unsere experimentellen Beobachtungen bestätigten auch die Gültigkeit eines theoretischen Modells, das wiederum wertvolle Informationen über die UV-induzierte molekulare Reaktion lieferte, wie zum Beispiel die Zeit, die es bis zum Erreichen der Bindungslänge zwischen Kohlenstoff- und Jodatom dauert, bei welcher ein Transfer zwischen den zwei elektronischen Zuständen des neutralen Moleküls stattfinden kann, fügt Co-Autor Vincent Wanie, Wissenschaftler in der Attosekundengruppe, hinzu.

Die Arbeit kombiniert Experiment und Theorie, um zu zeigen, wie UV-Pulse von wenigen Femtosekunden Dauer der Kontrolle von Photoprodukten neutraler Moleküle den Weg bereiten, indem sie bereits in den ersten Momenten nach der Photoanregung wirken. Die Forschenden konnten auf der Grundlage ihrer Erkenntnisse ein neues Photoprotektionsschema gegen molekularen Zerfall demonstrieren. Der Ansatz kann von anderen Forschungsgruppen übernommen werden, um kritische Phänomene zu untersuchen, die durch ultraviolette Strahlung ausgelöst werden. Mögliche Anwendungen liegen in Bereichen wie Photochemie, Photokatalyse und Photobiologie.

Originalveröffentlichung

Lorenzo Colaizzi, Sergey Ryabchuk, Erik P. Månsson, Krishna Saraswathula, Vincent Wanie, Andrea Trabattoni, Jesús González-Vázquez, Fernando Martín, Francesca Calegari; "Few-femtosecond time-resolved study of the UV-induced dissociative dynamics of iodomethane"; Nature Communications, Volume 15, 2024-10-25

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