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.