Impulsabbildung von Multi-Elektronen Ionisationsdynamik

Chemische Prozesse werden üblicherweise verstanden als den Aufbruch und die Entstehung einer Bindung. Diesen Prozesse, welche ungefähr einige zehn Femtosekunden bis mehrere Mikrosekunden dauern, geht aber die viel schnellere intramolekulare Elektronendynamik voraus. Letztendlich werden chemische Prozesse durch diese Elektronendynamik bestimmt. Das Ziel dieses Projektes ist Methoden der Attosekundenphysik auf die Untersuchung elektronischer Prozesse in Atomen und Molekülen anzuwenden und dadurch eine Brücke vom konventionellen Verständnis der "langsamen" Chemie zur viel schnelleren ihr zugrunde liegenden Elektronendynamik zu schlagen. Die Entstehung der Attosekundenphysik ist verbunden mit der Entwicklung von lasergetriebenen Strahlquellen für einzelne sub-Femtosekundenimpulse im XUV Wellenlängenbereich, welche direkte Attosekundauflösung ermöglichen. Solche XUV-Pulse sind jedoch nicht für die Messung der Dynamik der chemisch relevanten schwach gebundenen Valenzelektronen geeignet, da sie hauptsächlich an die viel stärker gebundenen Elektronen der inneren Schalen koppeln. Um die Valenzelektronendynamik zu messen kann die in starken Laserfeldern auftretende Elektronenrückstreuung am verbleibenden Ion in Verbindung mit der Messung der Photonenspektren der dadurch emittierten höheren Harmonischen, welche sensitiv auf die Struktur der gebundenen Elektronen sind, verwendet werden. Obgleich ihrer Einfachheit vermögen solche optischen Experimente nichts oder nur wenig über Ionisations- und/oder Fragmentierungsdynamik auszusagen. Daher werden wir in diesem Projekt direkt die entstehenden Ionen und Elektronen detektieren. Dazu werden wir den kürzlich in unserem Labor in Wien fertiggestellten und getesteten Apparat für die Rückstoß-Impuls-Spektroskopie kalter Gase (COLTRIMS) verwenden. Dieser Apparat ist imstande die dreidimensionalen Impulsvektoren aller Elektronen und Ionen eines einzigen Atoms/Moleküls, die bei der Interaktion mit einem starken Laserfeld entstehen, zu messen. Information über die Attosekundendynamik kann aus den gemessenen Impulsspektra der Ionen oder Elektronen gezogen werden, wenn deren Emission mit einem geeignet schnellen Referenzprozess verknüpft werden kann. Solch ein geeigneter Referenzprozess sind die Oszillationen des elektrischen Feldes eines starken Laserimpulses, welche die gemessenen Impulsspektra auf einer Attosekundenzeitskala zu modulieren imstande sind. Das Ziel dieses Projektes ist die Erforschung der korrelierten Multi-Elektronen Ionisationsdynamik in Atomen und (dissoziierenden) Molekülen. Die Komplexität die Elektronendynamik auf einer Attosekundenzeitskala zu verfolgen steigt dramatisch mit der Anzahl der Elektronen. Um die zusätzlichen Freiheitsgrade einzuführen, die zur Manipulation eines komplexen Multi-Elektronensystems erforderlich sind, werden wir die COLTRIMS- Experimente mit vollständig kontrollierten, zum Teil zweifarbigen, starken Laserfeldern mit nahezu beliebig bestimmbaren zeitlichem Polarisations- und Phasenverlauf betreiben. Diese Laserfelder werden wir mit Hilfe der in unserem Labor vorhandenen Titan-Saphir Lasersysteme mit stabilisierter Absolutphase (carrier-envelope phase) synthetisieren. Die Kombination von zwei der modernsten und kompliziertesten Techniken - Teilchen- Impulsabbildung und vollständig kontrollierte Laserfelder - wird uns die experimentelle Untersuchung der dem Ionisationsvorgang zugrundeliegenden internen Elektronendynamik ermöglichen. Das Forschungsvorhaben in diesem Projekt läßt sich in zwei Bereiche unterteilen: (1) Rekollisionsfreie Multi- Elektronen Ionisationsdynamik in starken Feldern, und (2) Attosekunden Zeit-Raum-Energie Abbildung der Ionisationsdynamik initiiert durch die Rekollision eines Elektrons. Der erste Teilbereich zielt auf die zeitaufgelöste Untersuchung des Emissionsvorganges mehrerer Elektronen in zirkular polarisierten starken Laserfeldern ab. Indem wir den Multi-Elektronen Ionisationsprozess auf die Dauer einer einzigen Laser- Oszillationsperiode beschränken, können wir die Emissionsrichtung der Elektronen eindeutig auf deren Emissionszeit abbilden und gleichzeitig die mögliche Existenz eines Übergangs von unkorrelierter (sequentieller) zu einer korrelierten Emission studieren. Der zweite Teilbereich ist der zeitaufgelösten Messung der stark korrelierten Doppelionisationsdynamik, initiiert durch die Rekollision eines Elektrons auf das Ion im starken Laserfeld, gewidmet. Indem wir die Trajektorien der rekollidierenden Elektronen sowohl zeitlich als auch räumlich durch die Verwendung speziell synthetisierter Laserfelder kontrollieren, sind wir in der Lage, zusätzlich zum wohlbekannten Zusammenhang zwischen Rekollisionszeit und -energie rückgestreuter elektronischer Wellenpakete, Rekollisionsrichtung und -zeit miteinander durch das Laserfeld zu verknüpfen, was den Informationsgehalt unserer Messdaten signifikant erhöht.

Chemische Prozesse werden üblicherweise verstanden als den Aufbruch und die Entstehung einer Bindung. Diesen Prozessen, welche ungefähr zehn Femtosekunden bis mehrere Nanosekunden dauern, geht aber die viel schnellere intramolekulare Elektronendynamik voraus. Letztendlich werden chemische Prozesse durch diese Elektronendynamik bestimmt. In diesem Projekt wurden elektronische Prozesse in Atomen und Molekülen untersucht, mit dem Ziel, eine Brücke vom konventionellen Verständnis der langsamen Chemie zur viel schnelleren ihr zugrunde liegenden Elektronendynamik zu schlagen. Starke, ultrakurze Laserpulse mit genau bekanntem elektrischen Feld, teilweise synthetisiert mittels Pulsen verschiedener Farben, dienten als Zeitreferenz auf der Attosekundenzeitskala. Der dreidimensionale Impulsvektor von Ionen und Elektronen, welche während der Interaktion dieser Laserpulse mit Atomen und Molekülen entstehen, wurde mittels Koinzidenz-Spektroskopie vermessen. Attosekunden Zeitauflösung wurde erreicht durch Verknüpfung dieser Vektoren mit den bekannten Oszillationen des elektrischen Laserfeldes. Zu den besonders erwähnenswerten Resultaten dieses Projektes gehören (i) die Entwicklung und die erstmalige Demonstration einer Methode, welche die Vermessung der komplexen Phase eines gebundenen Quantenzustands während einer sehr schnellen Veränderung mit einer Auflösung von besser als 10 Attosekunden erlaubt, (ii) die erstmalige Demonstration der Kontrolle von Bindungsbrüchen in mehratomigen Molekülen auf einer Attosekunden-Zeitskala, (iii) die Entdeckung und die erstmalige Anwendung derselben, dass eine kontrollierte Störung der gebundenen Elektronenwolke in einem mehratomigen Molekül zur Kontrolle des Reaktionspfades benutzt werden kann, (iv) die Entdeckung eines neuartigen Ionisationsmechanismus in mehratomigen Molekülen, (v) die Demonstration, dass Elektron-Elektron Korrelation, einer der grundlegendsten Mechanismen in der Physik, mittels speziellen zweidimensionalen Laserfeldern auf einer Attosekunden-Zeitskala kontrolliert werden kann.