Stichting FOM
9 juni 2010
Een attoseconde-kijkje in de binnenkant van een molecuul
Voor de allereerste keer is een groep Europese onderzoekers erin
geslaagd om met attoseconde laserpulsen de beweging van elektronen in
een molecuul te observeren. Dit resultaat is een belangrijke stap in
het ontrafelen van de manier waarop de extreem snelle bewegingen van
elektronen aan de basis staan van elementaire chemische reacties. De
onderzoeksresultaten worden op 10 juni gepubliceerd in Nature.
Figuur 1. Bewegingen van het elektron
vergroten Figuur 1. Bewegingen van het elektron
Artistieke weergave van de bewegingen van het elektron van links naar
rechts in het molecuul. Op het moment dat het molecuul in twee delen
wordt gebroken blijft het elektron op de linkerhelft.
Om chemische reacties te bestuderen en begrijpen willen wetenschappers
weten hoe elektronen bewegen in moleculen. Deze bewegingen zijn echter
zo ontzettend snel dat het tot op heden niet mogelijk was om deze te
volgen in een experiment. Een groep Europese wetenschappers onder
leiding van het FOM-instituut AMOLF in Amsterdam is dit nu gelukt met
behulp van attoseconde laserpulsen.
Een attoseconde is een miljardste van een miljardste van een seconde.
Licht verplaatst zich in een attoseconde over minder dan een miljoenste
van een millimeter, ongeveer gelijk aan de diameter van een
DNA-molecuul. Er is veel interesse in het maken van attoseconde
laserpulsen: met deze pulsen kunnen de snelle bewegingen van elektronen
worden vastgelegd, net zoals een fotocamera dat kan met bijvoorbeeld
een sprinter op volle snelheid.
In het Europese onderzoeksteam werkten de onderzoekers uit Amsterdam
samen met groepen uit Milaan (Italië), Lund (Zweden), Garching
(Duitsland), Lyon (Frankrijk) en Madrid (Spanje). Het team bestudeerde
ionisatie van waterstof (H ) - het simpelste molecuul - met slechts
twee protonen en twee elektronen. In de ionisatie wordt één elektron
uit het molecuul verwijderd, terwijl het andere elektron zich aanpast.
Teamlid Freek Kelkensberg legt uit: "In ons experiment hebben we voor
het eerst aangetoond dat je met behulp van een attoseconde laser
elektronen kunt volgen binnen een molecuul. Met de attoseconde laser
schenen we op een waterstofmolecuul waardoor er een elektron uit het
molecuul werd verwijderd - het molecuul ioniseerde. Daarna braken we
het molecuul in twee stukken met een infrarode laserpuls om te zien hoe
de overgebleven lading zich had verdeeld over het molecuul. Aangezien
er een elektron verdwenen was, was het ene deel van het molecuul
geladen en het andere, daar waar het elektron zich bevond, neutraal. We
konden het elektron dus volgen door het geladen deel van het molecuul
te meten."
Met femtoseconde lasers, duizend keer langzamer dan de nu gebruikte
attoseconde laser, kunnen de bewegingen van atomen en moleculen worden
vastgelegd, maar niet die van elektronen. In 2001 is het wetenschappers
voor het eerst gelukt om een laserpuls van slechts 250 attoseconde te
maken. Hierna is er hard gewerkt aan de ontwikkeling van attoseconde
lasers. Recent zijn onderzoekers begonnen de attoseconde pulsen te
gebruiken om wetenschappelijk problemen op te lossen, zoals deze eerste
moleculaire toepassing die nu gepubliceerd is.
Hoewel waterstof het simpelste molecuul is, bracht het experiment
aanzienlijke verrassingen. Om de metingen beter te kunnen interpreteren
werd een groep theoretici van de universiteit van Madrid bij het
project betrokken. Het werk van de Spaanse onderzoekers bracht volledig
nieuwe inzichten. Hiervoor waren enorm omvangrijke berekeningen nodig.
Dr. Felipe Morales uit Madrid legt uit: "We hadden anderhalf miljoen
uur computertijd nodig om het probleem te begrijpen, en hebben echt de
limieten van de state-of-the-art supercomputers van dit moment
bereikt!" De berekeningen lieten zien dat het proces veel
gecompliceerder was dan in eerste instantie werd vermoed. Er bleek
bijvoorbeeld dat ook het elektron dat verwijderd werd uit het molecuul
tijdens de ionisatie, nog een belangrijke rol speelt in de dynamica van
het geïoniseerde molecuul dat achterblijft. Projectleider Marc Vrakking
van het FOM-instituut AMOLF beschrijft het als volgt: "We hebben niet -
zoals we oorspronkelijk verwachtten - het probleem volledig opgelost.
Integendeel, we hebben slechts een deur geopend naar veel meer nieuwe
vragen. Echter, dat maakt het werk des te belangrijker en
interessanter."
Dit werk vormt het beginpunt van een onderzoeksveld waarin
elektrondynamica in moleculen op attoseconde tijdschaal wordt
bestudeerd. In de toekomst zullen met verbeterde technieken complexere
systemen worden aangepakt met als doel beter inzicht te verkrijgen in
de rol van elektronbewegingen in elementaire chemische reacties, zodat
deze beter begrepen en gecontroleerd kunnen worden.
Het experimentele onderzoek is uitgevoerd als onderdeel van een
Europees netwerk, gefinancierd door de EU, waarin jonge onderzoekers
worden getraind. Het onderzoek is gedeeltelijk gefinancierd door FOM en
NWO.