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Quantenchemie: Kohärente Kontrolle bei einzelnen Molekülen

Laser
Mit kurzen, genau definierten Laserpulsen können Wissenschaftler Moleküle dazu bringen, genau definierte quantenmechanische Zustände einzunehmen. So lässt sich zum Beispiel gezielt eine einzelne chemische Bindung aufbrechen oder das Molekül in genau definierte Fragmente zerlegen.

Mit diesem Trick, kohärente Kontrolle genannt, wollen Forscher in Zukunft chemische Reaktionen mit beispielloser Genauigkeit steuern. Doch leider sind diese Techniken noch weit von der Anwendungsreife entfernt, denn all diese Kunststücke funktionieren bisher nur unter genau definierten Bedingungen – bei extremer Kälte etwa, oder in einem Molekülstrahl im Vakuum.

Forscher um Klaus Müllen vom Max-Planck-Institut für Polymerforschung in Mainz haben kohärente Kontrolle jetzt auch bei Raumtemperatur an Farbstoffmolekülen in einem Lösungsmittel durchgeführt – unter den gängigen Bedingungen einer chemischen Reaktion also. In ihrem Experiment gelang es ihnen, durch eine gezielte Abfolge von Laserpulsen die Fluoreszenzintensität der Moleküle zu steuern.

Kohärente Kontrolle | Die erzwungene Fluoreszenz zweier Moleküle des gleichen Farbstoffes ist abhängig vom zeitlichen Abstand und der Phasenbeziehung zwischen den beiden Laserpulsen, aber nicht exakt in der gleichen Weise. In der graphischen Darstellung erkennt man neben grundlegenden Gemeinsamkeiten auch deutliche Unterschiede. Blau steht für niedrige, rot für hohe Intensitäten.
Der erste Laserpuls regte ein Wellenpaket aus mehreren Schwingungsmoden im Molekül an, die sich gemeinsam zeitlich entwickeln. Der zweite Laserpuls erzeugte ebenfalls ein Wellenpaket, das sich mit dem ersten überlagerte – durch konstruktive und destruktive Interferenz beider entstand ein spezifisches Muster, das die Fluoreszenzintensität bestimmt.

Dabei entdeckten sie, dass die Fluoreszenz einzelner Moleküle keineswegs einheitlich mit der Differenz zwischen den beiden Laserpulsen variiert. Vielmehr hat jedes Einzelmolekül seinen eigenen Rhythmus – die Fluoreszenzwahrscheinlichkeit schwankt unter diesen Bedingungen zyklisch mit einer für jedes Molekül leicht unterschiedlichen Frequenz. Auch die Phasenbeziehung zwischen beiden Pulsen wirkt sich unterschiedlich aus. Mit Hilfe mehrerer Laserpulse gelang es den Forschern, eine Karte der Fluoreszenzintensitäten abhängig von dem Abstand der Laserpulse und ihrer Phasendifferenz anzufertigen. Dabei kam die wahre Vielfalt des molekularen Verhaltens ans Licht, denn die so gewonnenen Landkarten unterscheiden sich teilweise ganz erheblich.

Diese Bandbreite ist auch der Grund, weswegen die kohärente Kontrolle bei Raumtemperatur und in größeren Molekülensembles bislang nur wenig effizient ist. Ein Laserpuls, der für ein Molekül optimal ist, kann für ein anderes Molekül in einer leicht unterschiedlichen chemischen Umgebung ungeeignet sein. Mit der Kartierung dieser Interferenzlandschaft zeigen die Forscher eine Möglichkeit auf, diese Schwierigkeit in Zukunft zu umgehen. (lf)

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  • Quellen
Müllen, K. et al.: Visualizing and controlling vibrational wave packets of single molecules. In: Nature 465, S. 905 – 908, 2010.

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