Deutsche Physikalische Gesellschaft e. V. (DPG)

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E-Verhandlungen 2002
Symposium SYFS
Hauptvorträge

Generation of supershort optical pulses using molecular phase modulation

•Georg Korn und Mikalai Zhavoronkov
Max-Born-Institut, Max-Born-Str. 2A, 12489 Berlin

Pulses below 4fs have been generated using an impulsively excited Raman-active gas. A first intense pulse generates a strong molecular vibration. A second delayed pulse which is shorter than the molecular vibrational period experiences a strong phase modulation due to the fast refractive index change induced by the molecular motion. The additionally by molecular phase modulation generated frequency components could be compressed with chirped mirrors only.

Zeitauflösende Elektronenspektroskopie mit gepulster EUV-Strahlung: von Femto- zu Attosekunden

•Markus Drescher
Universität Bielefeld, Fakultät für Physik, Universitätsstr. 25, 33615 Bielefeld

Ultrakurze Lichtpulse im EUV Spektralbereich - erzeugt als Harmonische hoher Ordnung von intensiven Laserpulsen - bieten faszinierende Möglichkeiten für die zeitauflösende Spektroskopie. Zum Einen erlauben die inzwischen realisierten Photonenenergien > 60 eV Untersuchungen transienter Phänomene an Innerschalen-Zuständen. Jüngste Ergebnisse eines vis pump/EUV-probe Experiments weisen z.B. den Zeitablauf des Elektronentransports zur Oberfläche in einem p-GaAs Halbleiter anhand der Änderung der Ga-3d Bindungsenergie nach einem Photoanregungsimpuls mit fs-Auflösung nach. Zum Anderen läßt sich die Zeitauflösung, die im sichtbaren Spektralbereich prinzipiell durch die Licht-Schwingungsperiode von ca. 2 fs begrenzt ist, jetzt bis in den Attosekundenbereich ausdehnen. Die Photoionisation freier Kryptonatome in Gegenwart eines sichtbaren Laserfeldes stellt eine Methode zur Kreuzkorrelation der EUV-Intensität mit der Laser-Feldstärke dar und erlaubt die Messung der EUV-Pulslänge zu 650 as mit einer Genauigkeit von 150 as. Damit steht ein Instrument zur Verfügung, das die Beobachtung der Dynamik der Elektronen-``bewegung'' auf deren natürlicher Zeitskala ermöglicht.

Optische Frequenzmessung mit Femtosekunden-Lasern

•Thomas Udem, R. Holzwarth, M. Zimmermann, Ch. Ghole und T. W. Hänsch
Max-Planck-Institut für Quantenoptik, Hans-Kopfermann-Straße 1, D-85748 Garching

Wir beschreiben einen einfachen und kompakten Apparat, der es erlaubt die sehr hohe Frequenz von Licht, das heißt Frequenzen mit einigen 100 Terahertz (1  THz = 10¹²  Hz), zu zählen. Zusammen mit einer genauen Atomuhr oder einem GPS-Empfänger, lassen sich damit selbst in kleineren Labors hochpräzise spektroskopische Untersuchungen an Atomen und Molekülen durchführen. Das Prinzip lässt sich umkehren, um damit extrem scharfe optische Resonanzen als Taktgeber für eine optische Uhr zu nutzen. Diese Uhren haben eine prognostizierte Genauigkeit, welche die besten heute zur Verfügung stehenden Atomuhren um bis zu drei Größenordnungen übersteigt.

Adaptive kohärente Steuerung von Quantenphänomenen

•Marcus Motzkus
Max-Planck-Institut für Quantenoptik, Hans-Kopfermann-Straße 1, D-85748 Garching

Spektroskopie mit Femtosekundenimpulsen erlaubt die Untersuchung schnellster dynamischer Prozesse in Molekülen in Echtzeit (Femtochemie). Darüber hinaus können ultrakurze Laserimpulse auch dazu eingesetzt werden, Quantenphänomene in Atomen und Molekülen gezielt zu steuern. Um dabei eine optimale Kontrolle zu erreichen, muss die Phase und Amplitude des elektrischen Feldes an die wechselwirkenden Potentiale des Quantensystems angepasst werden. Unter der Verwendung ansteuerbarer Modulatoren, die eine in weiten Grenzen beliebige Formung von fs-Impulsen erlauben, und dem Einsatz von selbstlernenden Algorithmen eröffnet sich hierbei die Möglichkeit, Kontrolle auch über solche Molekülsysteme zu erreichen, deren Potentialflächen nur näherungsweise bekannt sind. Am Beispiel kleinerer Systeme werden zunächst die Funktionsweise des adaptiven Aufbaus und die Prinzipien der kohärenten Kontrolle demonstriert. Anschließend werden erfolgreiche Kontrollexperimente an komplexen Systemen vorgestellt, die bis hin zu biologischen Proben reichen.

[1] H. Rabitz, R. de Vivie-Riedle, M. Motzkus und K.-L. Kompa, Science 288 (2000) 824

[2] T. Hornung, R. Meier, D. Zeidler, K. L. Kompa, D. Proch und M. Motzkus, Appl. Phys. B 71 (2000) 277

[3] T. Hornung, R. Meier und M. Motzkus, Chem. Phys. Lett. 326 (2000) 445

[4] D. Zeidler, S. Frey, K.-L. Kompa und M. Motzkus, Phys. Rev. A 64 (2001) 023420

Analyse ultraschneller Prozesse in angeregten Molekülen und Clustern mit Femtosekunden-zeitaufgelöster Photoelektronenspektroskopie

•Wolfgang Radloff, Volker Stert, Parviz Farmanara und Hans-Hermann Ritze
Max-Born-Institut für Nichtlineare Optik und Kurzzeitspektroskopie, Max-Born-Str. 2A, D-12489 Berlin

Die Anwendung des Photoelektron-Photoion-Koinzidenz Nachweises in Pump-Probe Experimenten mit Femtosekunden-Laserimpulsen erlaubt die Analyse der Dynamik und Energetik von ultraschnellen Prozessen in Molekülen und Clustern. Typische Prozesse, die auf diese Weise studiert wurden, sind die interne Konversion in Toluol-Molekülen und -Dimeren sowie die photoinduzierte Intracluster-Reaktion in Ba...FCH₃. Im ersteren Fall konnte der ultraschnelle Transfer von elektronischer Energie in Schwingungsenergie direkt verfolgt und analysiert werden. Im zweiten Beispiel gelang es, in Verbindung mit ab-initio Berechnungen der betreffenden Potentialflächen die Natur des Zwischenzustands in der Intracluster-Reaktion aufzuklären.

Dynamik und Spektroskopie intramolekularer Wasserstoffbrücken

•Oliver Kühn
Institut für Chemie, Physikalische und Theoretische Chemie, Freie Universität Berlin, Takustr. 3, D-14195 Berlin

Die Femtosekundenspektroskopie im infraroten Spektralbereich eröffnet die Möglichkeit, die Dynamik von Protonen in Wasserstoffbrücken A-H...B zu untersuchen und somit insbesondere zum Verständnis (a) intramolekularer und intermolekularer Schwingungsenergieumverteilung und (b) des Einflusses der niederfrequenten A...B Schwingung beizutragen [1]. Die theoretische Simulation der ultraschnellen Protonenbewegung erfordert eine Kombination von Methoden der Quantenchemie und Quantendynamik.

In diesem Beitrag werden Resultate zur Wasserstoffbrückendynamik in Phthalsäuremonomethylester [1] im elektronischen Grundzustand vorgestellt. Die Potentialenergieflächen für die Kernbewegung werden dabei zunächst in voller Dimensionalität auf der Grundlage der kartesischen Reaktionsflächenmethode bestimmt [2]. Ausgehend von einer Analyse der intramolekularen lasergetriebenen Dynamik im Rahmen der zeitabhängigen Hartree-Methode [3] wird im weiteren ein 9-dimensionales Modell identifiziert, das eine numerisch exakte Propagation der Kernwellenfunktion mit Hilfe des multiconfiguration-time-dependent Hartree (MCTDH) Verfahrens erlaubt [4].

Das Verständnis der intramolekularen Dynamik ermöglicht die Konstruktion eines Modell-Hamiltonians zur Behandlung der Wechselwirkung mit der Lösungsmittelumgebung. Der Einfluss von Phasen- und Energierelaxation wird im Rahmen der Methoden der dissipativen Quantendynamik [5] untersucht.

[1] J. Stenger, D. Madsen, J. Dreyer, E. T. J. Nibbering, P. Hamm, T. Elsaesser, J. Phys. Chem. A 105, (2001) 2929.

[2] H. Naundorf, J. A. Organero, A. Douhal, O. Kühn, J. Chem. Phys. 110 (1999) 1128.

[3] G. K. Paramonov, H. Naundorf, O. Kühn, Eur. Phys. J. D 14 (2001) 205.

[4] H. Naundorf, G. A. Worth, H.-D. Meyer, O. Kühn, J. Phys. Chem A 106 (2002).

[5] V. May, O. Kühn, Charge and Energy Transfer Dynamics in Molecular Systems, Wiley-VCH, Berlin, (2000).

Simulation dissipativer Quantendynamik: Ultraschnelle Elektrontransfer-Prozesse in Flüssigkeiten

•Michael Thoss
Theoretische Chemie, TU-München, 85747 Garching

Die Beschreibung der Dynamik von Elektrontransfer-Prozessen in Flüssigkeiten erfordert Methoden der dissipativen Quantendynamik. Im Vortrag wird eine Methode vorgestellt, die auf einem iterativen Hybrid-Verfahren beruht. Dabei wird zunächst das Gesamtsystem in einen 'Kern' und ein 'Reservoir' aufgeteilt. Die Dynamik des 'Kerns' wird mit einer akkuraten quantenmechanischen Methode beschrieben, während das 'Reservoir' approximativ behandelt wird. Anschließend wird die Zahl der 'Kern'-Freiheitsgrade systematisch vergrößert bis Konvergenz erreicht ist. Das Potential der Methode wird durch Anwendungen auf das Spin-Boson Problem (als Modell für Elektrontransfer-Reaktionen in polaren Flüssigkeiten) sowie auf ultraschnelle, photoinduzierte Elektrontransfer-Reaktionen in Übergangsmetallkomplexen demonstriert.

IR-Spektroskopie zur Aufklärung ultraschneller struktureller Dynamik in biologischen Systemen

•Rolf Diller¹, Johannes Herbst¹ und Karsten Heyne^2
1Freie Universität Berlin, FB Physik, Arnimallee 14, 14195 Berlin
²Max-Born-Institut, Max-Born-Str. 2A, 12489 Berlin

Zeitaufgelöste Infrarotspektroskopie eignet sich hervorragend zur Untersuchung schneller molekularer Dynamik photoinduzierter Reaktionen. Durch transiente Schwingungsspektren der Reaktanden lassen sich Strukturänderungen, Schwingungsrelaxation und Antwort der Umgebung weitaus besser beschreiben als durch elektronische Spektren. Eine interessante Anwendung findet sich bei Photoreaktionen in Proteinumgebung, die ein hohes Maß an Optimierung bzw. Spezifizierung zeigen. Hier wurden am System Bakteriorhodopsin entscheidende Fortschritte erzielt und aktuelle Fragen geklärt. Es konnte anhand der Kinetik charakteristischer Schwingungsbanden zum ersten Mal direkt gezeigt werden, daß die all-trans zu 13-cis Isomerisierung des Retinal-Chromophors innerhalb von ca. 500 fs erfolgt. Die einzelnen kinetischen Komponenten sowie spektrale Signalbeiträge im Bereich von Proteinbanden geben weiteren Aufschluß über den Reaktionsablauf, die Relaxation des Systems nach seiner Rückkehr zum elektronischen Grundzustand und über die Wechselwirkung zwischen Chromophor und Umgebung. Eine teilweise Entkoppelung - und damit getrennte Beobachtbarkeit - der sich überlagernden molekularen Prozesse erzielt man durch den Austausch des nativen Retinal-Chromophors gegen all-trans - geblocktes Retinal.

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Zuletzt geändert am 14.11.2002

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