Techniklexikon

Ultrakurzzeitspektroskopie

Festkörperphysik, Teilgebiet der modernen Atom- und Molekülphysik und der Chemie. Hierbei werden Vorgänge auf atomarer oder molekularer Ebene mit Zeitkonstanten untersucht, die bis zu wenigen Femtosekunden kurz sein können. Dieser Zeitbereich wurde zugänglich durch die Entwicklung gepulster Laser mit Pulsdauern im Femtosekundenbereich sowie von Messtechniken hoher Zeitauflösung. Im Bereich der Atomphysik werden derartige Techniken oft für Lebensdauermessungen eingesetzt.

Von entscheidender Wichtigkeit für das gesamte Gebiet ist die Pump-Probe-Technik, wobei ein Laserpuls in einen Pump- und einen Probepuls aufgespalten wird. Der Pump-Puls induziert einen bestimmten Prozess und der Probe-Puls, der zeitverzögert eingestrahlt wird, kann den Zustand des Systems zu einem späteren Zeitpunkt abfragen.

In der Molekülphysik und Chemie ist die Zeitskala von fs und ps besonders interessant, da sich das Formieren und das Aufbrechen vieler chemischer Bindungen auf diesen Zeitskalen abspielt. Es ist sogar möglich, die quantenmechanische Wellenpaketdynamik von Elektronen in Molekülen experimentell zu untersuchen. Ein Beispiel einer solchen Messung ist in Abb. 1 dargestellt: Na₂-Moleküle im Grundzustand aus einem Molekularstrahl werden mit einem Pump-Laserpuls in einen angeregten Zustand angehoben, wobei das interatomare Potential eine Doppel-Minimum-Struktur aufweist. Wegen des Franck-Condon-Prinzips wird das Molekül am inneren Umkehrpunkt der Schwingungsbewegung angeregt (quantenmechanischer, harmonischer Oszillator). Das elektronische Wellenpaket oszilliert nun in dem Potentialtopf. Befindet es sich am äusseren Umkehrpunkt, so kann es durch einen Probe-Laserpuls auf eine antibindende Potentialkurve angeregt werden. In diesem Fall zerbricht das Molekül in ein Na-Atom und ein Na⁺-Ion. Abb. 2 zeigt die Anzahl der produzierten Na⁺-Ionen als Funktion der Pump-Probe-Verzögerung. Dieses Signal zeigt eine deutliche Oszillation der Na⁺-Produktion. Sie erklärt sich durch die oszillatorische Bewegung des elektronischen Wellenpakets zwischen den Umkehrpunkten des Potentialtopfes.

Mit derartigen Methoden konnte z.B. die Reaktionsdynamik chemischer Bindungen sehr intensiv untersucht werden. Für seine bahnbrechenden Arbeiten auf dem Gebiet, für das sich der Begriff Femtochemie eingebürgert hat, wurde A.H. Zewail 1999 mit dem Nobelpreis für Chemie ausgezeichnet.

Ultrakurzzeitspektroskopie 1: Potentialkurven zweier Na-Atome für verschiedene Zustände (u: ungerade, g: gerade Parität). Aufgetragen ist das interatomare Potential als Funktion des Kernabstands. (nach Baumert und Gerber)

Ultrakurzzeitspektroskopie 2: Gemessene Na⁺-Produktionsrate als Funktion der Pump-Probe-Verzögerung. (nach Baumert und Gerber)