Den kvantmekaniska utbytesinteraktionen mellan elektroner, en konsekvens av Paulis uteslutningsprincip, kan specifikt modifieras med intensiva infraröda ljusfält på tidsskalor på några femtosekunder, vilket tidsupplösta experiment på svavelhexafluoridmolekyler visar. I framtiden kan detta fynd leda till nedifrån-och-upp-kontroll av kemiska reaktioner med lasrar baserade enbart på elektroner, kemins "lim".

Elektroner bildar bindningarna i molekyler och spelar en avgörande roll i kemiska reaktioner. I atomer och molekyler är elektronerna ordnade på en sekvens av energinivåer som kännetecknas av kvanttal. För deras yrke spelar interaktionen mellan dessa elektroner med varandra - kvantmekaniskt kallad utbytesinteraktion - också en viktig roll. Detta beror på att elektroner beter sig som miniatyrgyroskop:De har ett spinn som kan peka i två riktningar. Enligt kvantmekanikens lagar kanske flera elektroner i en molekyl aldrig sammanfaller i alla kvanttal, vilket är anledningen till att elektroner med identiskt inriktat spinn "kommer ur varandras vägar". Detta är Paulis berömda uteslutningsprincip. Endast elektroner med motsatt spin kan å andra sidan komma närmare varandra och bilda par.

Elektronerna i atomer och molekyler kan exciteras med ljus, det vill säga de kan höjas från en lägre energinivå till en högre. Placeringen av energinivåerna avgör vilka ljusfärger som absorberas – och dessa är karakteristiska för respektive atom eller molekyl, vilket ger upphov till ett unikt fingeravtryck inom spektroskopi. Vanligtvis släpper elektronerna därefter denna energi mycket snabbt, till exempel i form av ljus (fluorescens) eller värme (kärnornas rörelse). Direkta fotokemiska reaktioner kan emellertid också äga rum från molekylens exciterade tillstånd.

Christian Otts grupp i Thomas Pfeifers avdelning vid MPI för kärnfysik arbetar med att specifikt manipulera molekyler med lasrar så att de genomgår en speciell reaktion. Nu har de lyckats ta ett grundläggande steg mot detta mål med ett knepigt experiment och teoretisk modell som de tagit fram som en del av STRUCTURES Cluster of Excellence tillsammans med Maurits Haverkorts grupp vid Institutet för teoretisk fysik vid Heidelbergs universitet.

För första gången insåg fysikerna en metod för att påverka och mäta den effektiva utbytesinteraktionen mellan flera elektroner bundna i en molekyl med två olika färgade laserpulser. Med hjälp av mjukt röntgenljus exciterade de en elektron djupt bunden till svavelatomen i en svavelhexafluoridmolekyl, och utökade därmed dess rörelseradie till hela molekylen under en kort tid innan den lämnar molekylen. På grund av den så kallade spin-omloppsinteraktionen mellan de djupt bundna elektronerna som finns kvar där, producerar hålet som bildas vid svavelatomen en karakteristisk dubbelstruktur av två linjer som är mätbara i röntgenabsorptionsspektrat. "Nu ändrar emellertid utbytesinteraktionen mellan den exciterade elektronen och detta återstående hål denna dubbla struktur igen", förklarar Patrick Rupprecht, Ph.D. student vid MPIK och första författare till studien.

Samtidigt bestrålat intensivt infrarött laserljus gör det nu möjligt att driva den exciterade elektronen ännu längre i sin rörelse:Detta är polarisering. Som studien publicerad i Physical Review Letters har visat, leder detta till en modifierad effektiv utbytesinteraktion med hålet vid svavelatomen. Detta visade sig i experimentet som en karakteristisk förändring i den relativa styrkan hos de två linjerna och kan tillskrivas symmetriegenskaperna hos de involverade elektroniska tillstånden.

"För att uteslutande studera elektronernas rörelse, med försumbar påverkan av den efterföljande kärnrörelsen, använde vi en ultrasnabb teknik med korta laserpulser som bara varar några femtosekunder", tillägger gruppledare Christian Ott. "Mätningarna visar att lasern signifikant påverkar den effektiva utbytesinteraktionen mellan de involverade elektronerna - och att graden av denna påverkan kan styras av laserintensiteten." Kvantteoretiska ab-initio-simuleringar underbygger resultatet, som visar vägen till att använda lasrar som ett slags fundamentala kemiska reagenser som direkt adresserar den kvantmekaniska nivån av bindningselektronerna. + Utforska vidare

Mätning av Einsteins fotoelektriska effekt:Tiden det tar för en elektron att frigöras