Gefilmte Elektronen

Ottawa (Kanada)/Bordeaux (Frankreich) - Lichtstrahlen können Moleküle zum Schwingen bringen und sie zur Spaltung anregen. Diese Prozesse, die bei der Photosynthese oder im Auge ständig stattfinden, könnten in Zukunft auf der Ebene der Elektronen gefilmt werden. Ein internationales Forscherteam legt dazu nun die Grundlage. Wie es in der Zeitschrift "Science" berichtete, ließ sich mit extrem kurzen Laserpulsen das Verhalten der Elektronen bei der Lichtspaltung von Stickstoffdioxid-Molekülen beobachten. Diese Methode hat das Potenzial, zahlreiche Phänomene – von der Photosynthese über die molekularen Abläufe beim Sehen bis zur UV-Stabilität von Erbgutsträgen – besser verstehen zu können.

Konnten Physiker diese komplexen Prozesse bisher nur ansatzweise berechnen, entwickelten Wissenschaftler von den Universitäten in Bordeaux, Toulouse, Ottawa und Zürich nun eine effiziente Messmethode. Dazu regten sie Stickstoffdioxid-Moleküle in einem Gasstrahl mit extrem kurzen Laserpulsen bei 400 Nanometern Wellenlänge an. Elektronen wurden so aus ihren Umlaufbahnen geschossen und die Moleküle in Schwingungen versetzt. Wieder von den Molekülen eingefangene Elektronen sendeten noch viel kürzere Lichtblitze aus, welche die Vorgänge während der Lichtspaltung des Moleküls offenbarten. "Das ist ein sehr kurzer Lichtblitz, der einen Schnappschuss der elektronischen Struktur des Moleküls enthält", erklärt Hans Wörner, Erstautor der Studie.

In ihren Versuchen zeichneten die Forscher nun mehrere dieser Schnappschüsse auf. Sie erkannten, wie angeregte Elektronen ihre Energie an das Molekül übertragen und so in Schwingungen versetzen konnten. Genau dieses Verhalten ist von großer Bedeutung für den lichtinduzierten Spaltungsprozess. Diese Vorgänge konnten zuvor nur berechnet werden - die aktuellen Versuche zeigten eine große Übereinstimmung mit diesen theoretischen Vorhersagen.

Zwar ist die Lichtspaltung des einfach aufgebauten Stickstoffdioxid-Moleküls prinzipiell recht gut verstanden. Doch bei größeren Molekülen stoßen die Rechenmöglichkeiten an ihre Grenzen. Genau hierfür könnte die Spektroskopie-Methode von Wörner und Kollegen eine große Bedeutung erlangen. Besonders photochemische Reaktionen biologischer Systeme – wie die Photosynthese im Chlorophyll – könnten in Zukunft genauer analysiert werden und so den Schlüssel für eine effiziente künstliche Photosynthese für die Energiegewinnung aus Sonnenlicht liefern.