Ultrafast Hydrogen Migration by CEP-Locked Pulses

Vor kurzem hat die auf dem Gebiet der Wechselwirkung von intensiven Laserpulse mit Molekülen weltweit führende Gruppe von Prof. Yamanouchi experimentelle Belege dafür gefunden, dass Wasserstoffkerne (Protonen) in leichten Kohlenwasserstoffmolekülen möglicherweise extrem schnell wandern; entsprechend einer Geschwindigkeit von ~0.5 nm innerhalb von circa 5 fs. Die vorab getätigten Schlüsse aus dieser unerwarteten Geschwindigkeit der Kernumstrukturierung basieren auf Auswertungen von ionischen Fragmenten die während einer Coulomb-explosionsartigen Photodissoziation des Moleküls getriggert durch einen starken few-cycle Laserimpuls entstehen. Schon alleine die Vorstellung, dass ein so schweres Teilchen wie ein Proton, mit einer Restmasse mehr als 1800 Mal größer als die eines Elektrons, sich derart schnell über relativ große Distanzen fortbewegen kann, könnte ein fundamentales Umdenken in unserem traditionellem Zugang zu Photo-Chemie, welcher auf der Born-Oppenheimer Approximation beruht, erforderlich machen. Die tiefgreifenden Erkenntnisse der Yamanouchi-Gruppe werfen ein neues Licht auf die Rolle von Wasserstoffbindungen und bedeuten möglicherweise, dass unter Einwirkung eines starken Feldes ein Proton durch eine Potentialbarriere von einem Teil eines Moleküls an ein anderes tunneln kann, anstatt einer klassischen Bahn zu folgen, was eine Größenordnung langsamer wäre. Im Rahmen dieses österreichisch-japanischen Projektes werden die Forschungsgruppen in Tokyo und jene an der Technischen Universität Wien, welche auf die Entwicklung der Technologie phasen-kontrollierter starker Laserpulse spezialisiert ist, grundlegende Aspekte der Licht-Molekül Wechselwirkung auf extrem kurzen Zeitskalen von wenigen Femtosekunden erforschen. Die Forschungen zielen ab auf ultraschnelle Ladungstransport- und Wasserstoffmigrationsprozesse in Kohlenwasserstoffmolekülen (z.B. MeOH, EtOH) in ultrakurzen starken Laserfeldern (~5 fs Pulsdauer, bis zu ~10-15 W/cm 2 Spitzenintensität). Es ist das Ziel der beiden Forschungspartner, durch Kombination der Koinzidenz-Impulsabbildungstechnologie (KIAT), welche in den Labors beider Partner verfügbar ist, mit der Technologie starker carrier-envelope (CE) phasenstablisierter few- cycle Laserpulse, bisher nicht verfügbare Einsichten in die Dynamik des Aufbruchs und der Herstellung (bzw. Umstrukturierung) chemischer Bindungen innerhalb eines Moleküls zu gewinnen. Es wird erwartet, dass CE- Kontrolle des Lichtfeldes der Schlüssel ist (a) um Attosekunden Zeit-Kontrolle über die Dynamik der die Photo- Dissoziation initiierenden Tunnelionisation zu gewinnen, (b) für die räumliche Kontrolle der Lokalisierung von ultraschnellem (100 as - 5 fs) intramolekularem Ladungstransport eingeleitet durch Ionisation, (c) für die Kontrolle der nicht-adiabatischen Kopplung der gebundenen Valenzelektronen an das starke Lichtfeld, (d) für die Formung der Potentialbarriere zuständig für das Tunneln der Protonen (bestimmt durch die instantane Größe des externen elektrischen Feldes + die Form der instantanen intramolekularen Polarisationswelle aufgrund der Ladungsmigration). Die vorgeschlagenen CE-konrollierten KIAT Experimente, welche sowohl in Tokyo als auch in Wien geplant sind, sollen vorerst mittels der vorhandenen Ultrakurzpuls Ti:Saphir Laserverstärker (Wellenlänge 800nm) durchgeführt werden. In der zweiten Hälfte des Projektes soll eine neuartige parametrische Quelle (Wellenlänge 1500nm) zum Einsatz kommen, welche derzeit in Wien entwickelt wird. Die längere Wellenlänge der treibenden Laserpulse ermöglicht die Unterdrückung von Multi-Photon Anregungen und zusätzlich die Vorteile einer höheren ponderomotiven Energie aufgrund der längeren Dauer des optischen Zyklusses.