Zeitaufgelöste Beobachtung der Laser-induzierten Formänderung von C₆₀
Forschungsgruppe untersuchte das fußballförmige Molekül mit Röntgenbildgebung
Ein Prototypmolekül, das berühmte fußballförmige „Buckminsterfulleren“ C60, wurde sowohl experimentell wie auch theoretisch durch Gruppen des Max-Born-Instituts (MBI) in Berlin im Rahmen einer größeren Zusammenarbeit untersucht. Das Projekt wurde von Physikern des Max-Planck-Instituts für Kernphysik (MPIK) in Heidelberg koordiniert. Weiter waren Gruppen aus dem Max-Planck-Institut für Physik komplexer Systeme (MPI-PKS) in Dresden sowie anderer Institutionen aus der Schweiz, USA und Japan beteiligt. Das Experiment, das an der Lichtquelle ‚Linac Coherent Light Source‘ (LCLS) des SLAC National Accelerator Laboratory durchgeführt wurde, konnte zum ersten Mal die Laser-induzierte molekulare Dynamik von C60 direkt abbilden.
Werden C60 Moleküle mit intensivem Laserlicht bestrahlt, zerfallen sie in neutrale und geladene Bruchstücke (Fragmente). Die Anzahl, Größe und der Ladungszustand der Fragmente hängt von der Intensität des Laserlichts ab. Dieser Prozess wird typischerweise durch zeitaufgelöste Massenspektroskopie untersucht, wobei geladene Fragmente detektiert werden und sekundäre Prozesse der hoch angeregten Fragmente während der Detektion nicht ausgeschlossen werden können. Daher bleibt die anfängliche Reaktion der C60 Moleküle auf die Bestrahlung mit intensivem Laserlicht, wie zum Beispiel mögliche Formänderungen, bei diesen Messungen verborgen.
In der vorliegenden Publikation wurde ein anderer Ansatz verfolgt, in dem die an der LCLS-Anlage verfügbaren ultrakurzen Röntgen-Pulse ausgenutzt wurden: Die Form der C60 Moleküle wurde durch die Abbildung der gestreuten Röntgen-Photonen bestimmt. Diese Methode bildet im Wesentlichen die Elektronenverteilung im C60 Moleküle ab. Die Abbildung zeigt ein Schema des experimentellen Aufbaus. Ein Ensemble von C60 Molekülen wurde durch einen Nahinfrarot (NIR) Laserpuls angeregt und ionisiert. Der Röntgen-Puls wechselwirkte mit den angeregten und ionisierten C60 Molekülen und die gestreuten Photonen wurden mit Hilfe eines zweidimensionalen Detektors abgebildet. Um die Änderungen der Form der C60 Moleküle zu verfolgen wurde die Verzögerung Δt zwischen dem NIR- und dem Röntgen-Puls variiert. Durch die Änderung der Intensität des NIR-Pulses wurden verschiedene Fragmentation-Szenarien untersucht und mit theoretischen Rechnungen verglichen.
Die experimentellen und theoretischen Ergebnisse zeigen, dass der zeitliche Ablauf der molekularen Formänderungen sich stark ändert, wenn die Intensität des NIR-Lasers variiert wird. Das interessanteste Ergebnis dieser Untersuchung war, dass die theoretisch vorhergesagte Laser-induzierte C60 Atmungs-Schwingung, d.h. eine periodische Änderung des Durchmessers von C60 im Experiment nicht nachgewiesen werden konnte. Dies deutet darauf hin, dass das Verständnis der Dynamik von C60 als Vielteilchen-System noch immer unvollständig ist.
Siehe auch:
Pressemitteilung des Max-Planck-Instituts für Kernphysik Heidelberg
Publikation:
Visualizing the strong-field induced molecular break-up of C60 via X-ray diffraction
Kirsten Schnorr, Sven Augustin, Ulf Saalmann, Georg Schmid, Arnaud Rouzée, Razib Obaid, Andre AlHaddad, Nora Berrah, Cosmin I. Blaga, Christoph Bostedt, Manuel Cardosa-Gutierrez, Gabriella Carini, Ryan Coffee, Louis F. DiMauro, Philip Hart, Yuta Ito, Katharina Kubicek, Yoshiaki Kumagai, Jochen Küpper, Yu Hang Lai, Hannes Lindenblatt, Ruth A. Livingstone, Severin Meister, Robert Moshammer, Koji Motomura, Thomas Möller, Kaz Nakahara, Timur Osipov, Gaurav Pandey, Dipanwita Ray, Francoise Remacle, Daniel Rolles, Jan Michael Rost, Ilme Schlichting, Rüdiger Schmidt, Simone Techert, Florian Trost, Kiyoshi Ueda, Joachim Ullrich, Marc J.J. Vrakking, Julian Zimmermann, Claus Peter Schulz, Thomas Pfeifer
Science Advances 11, eadz1900 (2025). URL, DOI oder PDF
Kontakt:
Max-Born-Institut für Nichtlineare Optik und Kurzzeitspektroskopie (MBI)
mbi-berlin.de
MBI-Pressemitteilung vom 11. Dezember 2025