22. Oktober 2026

Foto: Nature 630, 109 (2024), CC-BY-4.0-Lizenz

Die Schnappschüsse des elektronischen Stroms, der in chiralen Molekülen durch einen Pump-UV-Lichtpuls erzeugt wird, zeigen die Moleküle für zwei verschiedene Orientierungen R (a). Die Photoionisation ist bei der Orientierung R1 verstärkt. Dies führt zu einer berechneten Vorwärts/Rückwärts-Fragmentasymmetrie entlang der Laserausbreitungsachse während der dissoziativen Ionisierung (b).

Stellen Sie sich vor, Sie könnten chemische Reaktionen steuern, indem Sie Elektronen direkt lenken. Dank bahnbrechender Experimente mit ultrakurzen Laserpulsen – Lichtblitze, die nur Milliardstel einer Milliardstel Sekunde dauern – können Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler nun die Bewegung von Elektronen beobachten und steuern. Der Text aus dem Magazin „Advanced Imaging of Matter – sieben Jahre CUI im Fokus“ beschreibt, wie sich unser Verständnis photochemischer Prozesse dadurch grundlegend verändert.

Wenn wir an chemische Reaktionen denken, dann stellen wir uns in der Regel vor, dass sich die Atome über einen relativ langen Zeitraum hinweg neu anordnen. Doch was wäre, wenn sich das Schicksal einer Reaktion schon in den frühesten Stadien ändern ließe, bevor die Atomkerne in Bewegung geraten, indem man den Fluss der Elektronen selbst steuert? Die Attosekunden-Wissenschaft, ein sich rasch entwickelndes Gebiet, das 2023 mit dem Nobelpreis für Physik ausgezeichnet wurde, ermöglicht genau das. Forschende nutzen jetzt ultrakurze Pulse von extrem ultraviolettem (XUV) Licht, die nur Attosekunden dauern, um die Bewegung von Elektronen in Atomen, Molekülen und Festkörpern sichtbar zu machen und zu manipulieren (das Verhältnis zwischen einer Attosekunde und einer Sekunde entspricht dem Verhältnis einer einzigen Sekunde zu 31,7 Milliarden Jahren).

Ein besonders spannendes Phänomen, das mit solchen ultrakurzen Pulsen identifiziert wurde, ist die Ladungswanderung, ein ultraschneller Prozess, bei dem sich die Elektronen unmittelbar nach der Anregung in einem Molekül umverteilen, noch bevor die Atome anfangen, sich zu bewegen. Die von CUI-Sprecherin Prof. Francesca Calegari geleitete Gruppe Attosecond Science hat diese Idee vor kurzem weiter vorangetrieben und nicht nur elektronengetriebene Phänomene in Biomolekülen erfasst, sondern auch unerwartete Wege zur Kontrolle chemischer Reaktionen auf ihrer grundlegendsten Ebene aufgezeigt.

Kontrollierte Elektronendynamik zum Schutz von DNA-Bausteinen

Für die Entwicklung neuer Schutzstrategien gegen schädliche Strahlung ist es von entscheidender Bedeutung zu verstehen, wie Strahlung die DNA schädigt. In seiner Pionierarbeit konzentrierte sich das CUI-Team auf Adenin, einen Grundbaustein der DNA. Mit ultrakurzen, weniger als 300 Attosekunden dauernden XUV-Pulsen, die ausreichend hohe Photonenenergien freisetzen, um potenziell biologische Strahlenschäden zu verursachen, beobachteten die Forschenden, wie sich die Elektronen nach der Ionisierung schnell umordnen. Dabei fanden sie heraus, dass die Elektronenbewegung innerhalb eines extrem engen Zeitfensters von nur 2.300 Attosekunden ausgenutzt werden kann, um ein stabiles, doppelt geladenes Molekül zu erzeugen. Möglich wurde dies mit sorgfältig getimten Nahinfrarotpulsen, die in die Elektronenumordnung präzise eingreifen. So stabilisierten die Forschenden Adenin effektiv gegen photoinduzierte Fragmentierung. Diese bahnbrechende Beobachtung eröffnet spannende neue Perspektiven für die Beeinflussung biochemischer Photoreaktionen durch kontrollierte Elektronendynamik.

Verdrehte Ströme: der elektronischen Chiralität auf der Spur

Auch in einer anderen wichtigen Klasse von Verbindungen, den chiralen Molekülen, hat die Attosecond Science-Gruppe um Prof. Calegari nachgewiesen, dass es möglich ist, die Elektronendynamik gezielt zu steuern. Die Chiralität – die molekulare Eigenschaft, die für die Händigkeit verantwortlich ist – wird normalerweise durch die räumliche Anordnung der Atome definiert. Die jüngsten Arbeiten der CUI-Forschenden zeigen jedoch etwas Bemerkenswertes: Die Chiralität kann auch allein durch die ultraschnelle Elektronendynamik erheblich beeinflusst werden. Mithilfe des zeitaufgelösten Photoelektronenzirkulardichroismus (PECD), einer Technik mit zirkular polarisierten Laserpulsen, untersuchten sie das chirale Molekül Methyllactat. Zu ihrer Überraschung fanden die Forschenden heraus, dass die Richtung der emittierten PECD-Elektronen innerhalb von nur zehn Femtosekunden (eine Femtosekunde entspricht tausend Attosekunden), also noch bevor die Atome beginnen, sich neu zu ordnen vollständig umgekehrt werden kann, wenn die Elektronen durch einen der kürzesten je erzeugten UV-Lichtpulse photoangeregt werden. Theoretische Modelle bestätigten, dass diese ultraschnellen Veränderungen durch kohärente Elektronenschwingungen verursacht werden, die „chirale Ströme“ mit bisher unerreichter Geschwindigkeit erzeugen.

Das Experiment zeigte auch, dass diese chiralen Ströme selektiv manipuliert werden können, was auf leistungsstarke neue Möglichkeiten zur Kontrolle der molekularen Reaktivität in chiralen Systemen hindeutet. Diese Entdeckung ebnet den Weg für aufregende neue Ansätze in der Chemie, die es den Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern ermöglichen, die Ergebnisse von Reaktionen durch präzise Steuerung der Elektronenbewegung zu bestimmen, zum Beispiel durch Kontrolle der Fragmentierung chiraler Moleküle während der Photolyse (siehe Bild). Text: Francesca Calegari (DESY, UHH), Vincent Wanie (DESY)

Literatur

• F. Calegari et al., Science 346, 336 (2014).
• E. P. Månsson et al., Communications Chemistry 4, 73 (2021).
• V. Wanie et al., Nature 630, 109 (2024).