ETH -forskare lyckades förkorta pulslängden för en röntgenlaser till endast 43 attosekunder. Med en tidsupplösning i intervallet några kvintiljondelar av en sekund, de kan nu för första gången observera elektronernas rörelse under kemiska reaktioner i slowmotion.

För att helt förstå dynamiken under en kemisk reaktion, forskare måste kunna studera alla rörelser av atomer och molekyler på deras grundläggande tidsskala.

Molekyler roterar inom området picosekunder (10-12 s), deras atomer vibrerar inom femtosekunder (10–15 s), och elektronerna rör sig inom området attosekunder (10-18 s). ETH -professorn Hans Jakob Wörner och hans grupp har nu lyckats generera världens kortaste laserpuls med en varaktighet på endast 43 attosekunder. Mer allmänt sett, denna laserpuls är den kortaste kontrollerade händelse som någonsin har skapats av människor. Forskarna kan nu i detalj observera hur elektroner rör sig inom en molekyl eller hur kemiska bindningar bildas.

Bryter ner övergångsstater

Med utgångspunkt från en infraröd laser, forskarna genererar en mjuk röntgenlaserpuls med en mycket stor spektral bandbredd. Som ett resultat, olika element, inklusive fosfor och svavel, kan observeras direkt genom att spänna sina elektroner i inre skal. Båda elementen finns i biomolekyler, och det är nu möjligt att observera dem med en aldrig tidigare skådad tidsupplösning.

Men vad är fördelen med att kunna observera reaktionsstegen nu med ännu högre upplösning? "Ju snabbare en laddningsöverföring kan ske, ju mer effektivt en reaktion kan fortsätta ", säger professor Wörner. Det mänskliga ögat är till exempel mycket effektivt när det gäller att omvandla fotoner till nervsignaler. I rhodopsin, ett visuellt pigment i näthinnan, den ljuskänsliga molekylen retinal är förordnad på ett sådant sätt att dess struktur kan förändras extremt snabbt genom absorption av endast en enda foton. Detta möjliggör den visuella processen även i skymningen. En mycket långsammare reaktion skulle göra synen omöjlig, eftersom fotonens energi skulle omvandlas till värme på bara några få pikosekunder.

Attosekundspektroskopi kan bidra till utvecklingen av effektivare solceller eftersom det nu för första gången är möjligt att följa excitationsprocessen genom solljus fram till elproduktion steg för steg. En detaljerad förståelse av laddningsöverföringsvägen kan hjälpa till att optimera effektiviteten hos nästa generation av ljuskänsliga element.

Optisk manipulation av reaktionsprocessen

Attoseconds laserspektroskopi är inte bara lämplig för enbart observation, Professor Wörner förklarar. Kemiska reaktioner kan också manipuleras direkt:Användning av en laserpuls kan ändra reaktionsförloppet - även kemiska bindningar kan brytas genom att stoppa laddningsskiftet på en viss plats i molekylen. Sådana riktade ingrepp i kemiska reaktioner har inte varit möjliga förrän nu, eftersom tidsskalan för elektronrörelse i molekyler tidigare inte var nådd.

Gruppen av professor Wörner arbetar redan med nästa generation av ännu kortare laserpulser. Dessa gör det möjligt att spela in ännu mer detaljerade bilder, och tack vare ett bredare röntgenspektrum kan ännu fler element sonderas än tidigare. Snart är det möjligt att följa elektronernas migration i mer komplexa molekyler med en ännu högre tidsupplösning.