Ett team av forskare från Helmholtz Institute Jena och DESY har banat väg för att använda konventionella lasrar för att observera kemiska bindningar som bryts isär. För deras experiment, forskarna kombinerade högpresterande ljusgenerering och detektionskomponenter från de två Helmholtz-institutionerna. Den resulterande uppläggningen utgör grunden för att observera höghastighetsprocesser med en upplösning på 30 miljarder sekunder av (30 femtosekunder). Dessutom, upplägget är så kompakt och robust att det kan fungera som en prototyp för mätutrustning som kan installeras och användas även vid mindre anläggningar och universitet.

Vad händer när en kemisk bindning bryts? Hur går enskilda atomer samman för att bilda en molekyl, och koppla från varandra igen? Att förstå dynamiken i kemiska processer beskrivs ofta som fysikalisk kemis "heliga gral"; när du förstår vad som händer, du har möjlighet att påverka sådana bindningar och kanske till och med designa helt nya material.

Att observera sådana kemiska processer med stor precision kräver höghastighetskameror med extremt hög temporal och rumslig upplösning, såsom den röntgenfria elektronlasern European XFEL, som för närvarande byggs i Hamburgs storstadsregion och kommer att tillåta forskare att titta på enskilda molekyler och atomer. Dock, en laser som avger kortvågigt ultraviolett ljus är allt som behövs för att observera kemiska bindningar som bryts i små molekyler-det och en slumpdetektor av den typen som utvecklats för synkrotron- och röntgenlaserexperiment.

I deras experiment, Helmholtz-forskarna avfyrade korta pulser av högintensivt XUV-ljus mot jodmetanmolekyler (CH3I), även kallad metyljodid, bestående av en jodatom och en metylgrupp (CH3). Ljuset bröt bindningen mellan jod och metylgruppen, och fragmenten av molekylen fångades och mättes i en spektrometer. Detta gjorde det möjligt att härleda omarrangemanget av elektronerna i den upphetsade molekylen, och därmed de efterföljande inducerade kemiska processerna.

Experimenten baserades på ett bordslasersystem för ljus i det så kallade extrema ultravioletta området (XUV). Lasern, som utvecklades vid Helmholtz Institute Jena, producerar mycket kort, högintensiva pulser av XUV genom först förstärka en puls av infraröd strålning i en optisk fiber, och därefter generera udda multiplar av den ursprungliga laserfrekvensen. För dessa experiment, en av dessa så kallade högre harmoniska frekvenser, med en våglängd på cirka 18 nanometer, extraherades med hjälp av speciella optiska enheter och användes för experimentet.

"XUV -lasersystemet producerar ljusglimtar bestående av en miljon fotoner, som bara varar 30 femtosekunder, med en pulsfrekvens på upp till 100 kilohertz, "förklarar professor Jens Limpert. Jan Rothhardt, som hjälpte till att utveckla lasern, tillägger:"Kombinationen av ett högt fotonflöde och mycket hög repetitionshastighet i kombination med mycket hög stabilitet kvalificerar detta system, i princip, att utföra användarexperiment i kemisk dynamik."

Att använda högre övertoner för att producera pulserna erbjuder en ytterligare inbyggd fördel:en kemisk reaktion kan utlösas av en ljuspuls som produceras av lasern, och sedan undersökt efter en bestämd tid med användning av en puls av XUV -strålning producerad av samma laser. "Fördröjningen mellan den första och den andra pulsen kan justeras med hög precision, "säger Rothhardt. Denna" pump- och sond "-teknik användes ännu inte i den första serien av experiment, men den har redan testats och ska ingå i uppföljningsexperiment.

En andra viktig komponent i experimenten var ett komplext prov och detektorkammare, utvecklad för användning i frielektronlasrar (FELs), som redan hade använts i DESY:s FLASH- och PETRA III -acceleratorer. I denna CAMP experimentkammare, drivs av Daniel Rolles grupp vid den tiden, provet sköts in i ljusstrålen som en tunn stråle som färdades med supersonisk hastighet. Interaktionen med XUV -strålningen förstörde molekylerna, och egenskaperna hos fragmenten som flyger iväg mättes med stor precision i en inbyggd spektrometer. Tillfällighetsmätningar gjorde att de fångade fragmenten kunde tilldelas sina ursprungliga molekyler, och den exakta karaktäriseringen av byggstenarna innebär att bindningen kan brytas över tiden.

"Genom att sammanföra de experimentella och vetenskapliga möjligheterna från Jena och Hamburg, vi öppnar nya möjligheter för att observera kemisk dynamik, " säger DESY-forskaren professor Jochen Küpper, som startade experimenten och som också är medlem i Center for Free-Electron Laser Science och Hamburg Center for Ultrafast Imaging vid University of Hamburg. DESY -forskaren Tim Laarmann tillägger:"I nästa steg, vi kommer att använda apparaten för att utföra pump- och sondförsök. I princip, denna uppställning borde faktiskt tillåta oss att uppnå mycket högre tidsupplösningar på mindre än en femtosekund, gör det möjligt att observera extremt snabba rörelser av elektroner i komplexa molekyler. "