Lasergolf stuurt elektronen in chemische binding

Intense lichtpulsen met een duur van slechts enkele femtoseconden (1 femtoseconde is een-miljoenste-van-een-miljardste van een seconde) kunnen krachten op elektronen uitoefenen die vergelijkbaar zijn met de krachten die de elektronen en de positief geladen atoomkern op elkaar uitoefenen binnen een atoom. Om deze krachten op een gecontroleerde manier met lichtpulsen op elektronen te kunnen uitoefenen zijn laserpulsen nodig met een exact reproduceerbare golfvorm.

Bijzondere laser
In 2002 slaagde prof. Ferenc Krausz (MPQ, destijds hoogleraar aan de Technische Universiteit Wenen) er als eerste in om intense laserpulsen met een precies gedefinieerde en reproduceerbare intensiteit, frequentie en fase te maken. Hij maakte daarbij gebruik van de 'frequentiekammentechnologie' die prof. Theodor Hänsch (MPQ) ontwikkelde. Hänsch kreeg hiervoor vorig jaar de Nobelprijs voor de Natuurkunde. Het bijzondere van een laser met een reproduceerbare fase, ook wel een fase-gestabiliseerde laser genoemd, is dat de minima en maxima in het elektrisch veld zich elke keer op hetzelfde punt in de ultrakorte laserpuls bevinden. Met experimenten hebben de Duitse wetenschappers aangetoond dat deze lichtpulsen gebruikt kunnen worden voor het maken van attoseconde lichtpulsen (1 attoseconde is een-miljardste-van-een-miljardste van een seconde) en voor het verwijderen van elektronen uit atomen en moleculen op een gecontroleerde wijze.

De vraag die de wetenschappers nu gesteld en beantwoord hebben, is of, en zo ja, in hoeverre het mogelijk is om het gedrag van elektronen die blijvend deel uitmaken van een molecuul te beïnvloeden. Dit is van groot belang omdat deze elektronen verantwoordelijk zijn voor chemische binding én een essen­tiële rol spelen tijdens een chemische reactie.

Het experiment
In experimenten uitgevoerd op het Duitse MPQ, bestudeerden dr. Matthias Kling, postdoc in de groep van prof. Marc Vrakking op AMOLF, en collega's de invloed van intense lineair gepolariseerde laserpulsen van vijf femto­secon­de op de beweging van elektronen. Ze gebruikten positief geladen deuterium­moleculen, ook wel zwaar waterstof genoemd (D₂ ⁺ ). Deze molecu­len zijn extreem eenvoudig. Ze bestaan slechts uit twee positief geladen ionen (de D⁺ atoomkernen, bestaande uit één proton en één neutron) en één elektron dat resteert na ionisatie van neutraal D₂ met een laser. Met een op AMOLF gebouwde camera bepaalde het Nederlands-Duitse team van wetenschappers de richting waarin het deuteriumion en het deuteriumatoom uitgeworpen werden ten opzichte van de polarisatie-as van de laser na dissociatie van het D₂ ⁺-molecuul.

Zolang de onderzoekers in het experiment laserpulsen zonder gecontroleerde fase gebruikten, werden het deuteriumatoom en het deuteriumion symme­trisch langs de polarisatie-as uitgeworpen. Echter, bij gebruik van de bijzon­dere fase-gestabiliseerde laserpulsen vertoonden de deuteriumionen en de deuteriumatomen ieder een sterke voorkeursrichting. De onderzoekers kon­den de richting van de deuteriumionen direct beïnvloeden met de fase van de laser: als bij een bepaalde fase de ionen met name naar rechts vlogen, dan zorgde een simpele draaiing van de fase met 180 graden ervoor dat ze met name naar links bewogen.

Elektronen sturen
Op basis van quantummechanische berekeningen kunnen de onderzoekers deze waarnemingen ook verklaren. Aan het begin van het experiment bevindt het elektron zich in de energetische laagst mogelijk toestand. Het bevindt zich vooral (zie figuur 1) tussen de twee deuteriumionen. Zo houdt het elektron beide ionen bij elkaar. De laserpuls stuurt het elektron afwisselend naar het rechter- of linkeratoom, afhankelijk van de fase van het elektrisch veld van de laser ten opzichte van de piek van de lichtpuls. Dit leidt tot een verzwakking van de binding tussen de twee atomen; het molecuul begint uit elkaar te vallen. Op het moment dat het molecuul daadwerkelijk in twee fragmenten uiteenvalt, kiest het elektron een van de beide deuteriumionen.

Dit resulteert in de vorming van een neutraal deuteriumatoom én een deuteriumion. De onderzoekers detecteerden de uitwerprichting van het deu­te­rium­ion dat in de dissociatie gevormd werd, met andere woorden, de plek waar het elektron zich juist níet bevindt. Omdat het uiteenvallen van het molecuul een karakteristieke tijdsduur in beslag neemt, kunnen onderzoekers er door de fase van de laser te kiezen selectief voor zorgen dat het elektron op het ene of het andere fragment eindigt.

Elektronentransport
Processen waarbij elektronen worden getransporteerd zijn buitengewoon belangrijk in de scheikunde en in de biologie. Zo speelt elektronentransport een cruciale rol bij zowel de beschadiging als het repareren van de basenparen van DNA. De resultaten die het Nederlands-Duitse team rapporteert voor de dissociatie van waterstofmoleculen openen mogelijkheden om de positie van elektronen ook in grotere moleculen te sturen met het elektrische veld van een lichtpuls. Dit experiment kan verder van belang zijn bij de miniaturisatie van elektronica. In dit nieuwe gebied van de zogenaamde moleculaire elektronica kan men laser-gestuurde elektronen mogelijkerwijs op een gecontroleerde manier binnen individuele moleculen verplaatsen.

De resultaten verschenen in het artikel:
M.F. Kling, Ch. Siedschlag, A.-J. Verhoef, J.I. Khan, M. Schultze, Th. Uphues, Y. Ni, M. Uiberacker, M. Drescher, F. Krausz, M.J.J. Vrakking, Control of Electron Localization in Molecular Dissociation, Science (14 April 2006).

Meer informatie is te verkrijgen bij prof.dr.ir. Marc Vrakking, FOM-Instituut voor Atoom- en Molecuulfysica in Amsterdam, telefoon (020) 608 12 34 of dr. Matthias F. Kling, FOM-Instituut voor Atoom- en Molecuul­fysica in Amsterdam, telefoon (020) 608 12 34.