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Ein starkes Laserfeld zieht einen Teil der Elektronenhülle des Sauerstoffmoleküls nach rechts, wo er mit einem COLTRIMS Detektor sichtbar gemacht wird (oben). Ein Teil dieser Elektronen wird vom Laser auf das Molekül zurückgeschleudert und erzeugt ein Beugungsbild des Molekülgerüstes. Abbildung: Andre Staudte
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COLTRIMS Technik: Ein Laserstrahl zerlegt die Gasmoleküle. Die entstehenden Elektronen (rote Kugel) und Ionen (blaue Kugel) werden von elektrischen und magnetischen Feldern auf bildgebende Detektoren geleitet. Abbildung: Reinhard Dörner
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Moritz Meckel, inzwischen Doktorand in der Gruppe von Dörner, führte die Messungen während eines einjährigen Aufenthaltes am National Research Council in Ottawa durch. Die großflächigen Detektorplatten des COLTRIMS ermöglichen es, alle geladenen "Bruchstücke" von Atom- und Molekülumwandlungen mit hoher räumlicher und zeitlicher Genauigkeit nachweisen, so dass man Reaktionen in drei Dimension rekonstruieren kann. Wie die Forscher in der aktuellen Ausgabe der Fachzeitschrift "Science" mitteilen, lag der Schlüssel für den jetzigen Durchbruch in der Datenanalyse, denn der gesuchte Effekt war so klein wie eine Unebenheit auf der Flanke eines großen Berges. Meckel erinnert sich an die Aufregung seiner Kollegen, als er zum ersten Mal die so analysierten Daten vorstellte. Als Testobjekte hatte er Stickstoff und Sauerstoff-Moleküle ausgewählt, weil deren Elektronenstruktur bereits bekannt ist und er so überprüfen konnte, ob seine Datenanalyse richtig war: "Allen fiel es wie Schuppen von den Augen, dass dies die richte Art war, die gesuchten Informationen im Datensatz zu finden." Die neuartige Methode arbeitet mit einem ultrakurzen Laserpuls, der die Moleküle ausrichtet. Ein zweiter, wesentlich stärkerer Laserpuls, der anschließend auf das Molekül geschossen wird, hat ein so starkes elektrisches Feld, dass ein Elektron aus dem Molekül herausgezogen wird. Ungefähr die Hälfte der herausgelösten Elektronen fliegt direkt zum Detektor. Die Verteilung dieser "direkten" Elektronen trägt, wie die Forscher zeigten, den "Fingerabdruck" des ionisierten Molekül-Orbitals. Prof. Dr. Paul Corkum, in dessen Labor die Messungen durchgeführt wurden, vergleicht diesen Effekt mit einem Raster-Tunnelmikroskop, das um das Molekül herumgefahren werden kann. So erhält man Informationen über die Elektronenhülle, die "Haut" des Moleküls. Die andere Hälfte der herausgelösten Elektronen wird im elektrischen Feld des Lasers auf das Molekül hin zurück beschleunigt und kann dort elastisch streuen - in direkter Analogie zu konventionellen Elektronenstreuexperimenten, in denen die Abstände zwischen den Atomkernen anhand von Beugungsmustern bestimmt werden. Da jedoch das Streuelektron direkt am zu untersuchenden Molekül erzeugt wird, ist die Wahrscheinlichkeit einer Streuung um viele Größenordnungen höher. Man erhält ein entsprechend scharfes Bild des "Knochengerüsts". Hinzu kommt, dass die Streuung innerhalb einer halben, extrem kurzen Schwingungsperiode des Laserfeldes von wenigen Femtosekunden stattfindet. Damit ist prinzipiell eine Zeitauflösung vom Bruchteil einer Schwingungsperiode möglich. Genau darin sieht Prof. Dörner das große Potential in der Methode: "Moleküle und deren Orbitale können zeitaufgelöst untersucht werden." Nur wenige Femtosekunden dauernde Laserpulse erlauben es, in chemischen Reaktionen die Umordnung der Atome zu verfolgen. Mithilfe der Femtochemie, für deren Entwicklung Ahmed Zewail 1999 mit dem Chemie-Nobelpreis ausgezeichnet wurde, kann man die Bindungsenergie der Elektronen während einer Reaktion in Echtzeit messen. Die Frankfurter Methode verspricht nun, zum ersten mal auch die Änderung der elektronischen Struktur in Echtzeit zu verfolgen. Die Goethe-Universität ist eine forschungsstarke Hochschule in der europäischen Finanzmetropole Frankfurt. Vor 94 Jahren von Frankfurter Bürgern gegründet, ist sie heute eine der zehn größten Universitäten Deutschlands. Am 1. Januar 2008 gewann sie mit der Rückkehr zu ihren historischen Wurzeln als Stiftungsuniversität ein einzigartiges Maß an Eigenständigkeit. Rund um das historische Poelzig-Ensemble im Frankfurter Westend entsteht derzeit für rund 600 Millionen Euro der schönste Campus Deutschlands. Mit 34 seit 2000 eingeworbenen Stiftungsprofessuren nimmt die GOETHE-UNI den deutschen Spitzenplatz ein. In drei Forschungsrankings des CHE in Folge und in der Exzellenzinitiative zeigt sich die GOETHE-UNI als eine der forschungsstärksten Hochschulen.
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