Molekülschwingungen in Zeitlupe

Die Struktur von Molekülen lässt sich bereits mit modernen Mikroskopen bis auf ein einzelnes Atom genau sichtbar machen. Mit einem neuen Verfahren schafften es Physiker nun, auch die extrem schnellen Bewegungen eines Moleküls in Zeitlupe festzuhalten. Wie sie in der Fachzeitschrift „Nature“ berichten, konnten sie Schwingungen mit einer zeitlichen Auflösung von etwa hundert Femtosekunden, also millionstel Teilen einer milliardstel Sekunde, analysieren. Mit solchen Aufnahmen wollen Forscher rasante Prozesse in chemischen Reaktionen oder in der Elektronik besser verstehen und optimieren.

„In naher Zukunft könnten so Reaktionsschritte in elementaren chemischen und biologischen Prozessen visualisiert werden“, erläutern Jascha Repp und seine Kollegen von der Universität Regensburg das große Potenzial ihrer Methode. Ihre Zeitlupenaufnahmen erprobten sie an einem Pentacen-Molekül, das sich aus fünf Benzolringen zusammensetzt. Dieses legten sie auf eine atomar dünne Kochsalzschicht, die sie zuvor auf einer Unterlage aus Gold deponiert hatten. Um die extrem schnellen Schwingungen zu beobachten, brachten sie die feine Spitze eines Rastertunnelmikroskop in die Nähe des Pentacen-Moleküls.

Obwohl sich die Mikroskopspitze aus Wolfram und das Molekül nicht berührten, konnten dennoch einzelne Elektronen vom Molekül zur Spitze „tunneln“. Dieser quantenmechanische Effekt trat abhängig vom Abstand zwischen Spitze und Molekül bei einer anlegten elektrischen Spannung auf. So lieferte die dabei transportierte elektrische Ladung eine Information über die Struktur des Moleküls und bildete die Grundlage für genaue Bilder mit atomarer Auflösung. Um zusätzlich die extrem schnellen Molekülschwingungen gewissermaßen filmen zu können, setzen Repp und seine Kollegen einen kurz getakteten Infrarotlaser ein: Mit den ultrakurzen Lichtpulsen konnten die Forscher nun die elektrische Spannung zwischen Pentacen-Molekül und Mikroskopspitze, die das quantenmechanische Tunneln der Elektronen ermöglichte, extrem schnell ein- und ausschalten. Dadurch ließ sich in kurzen Zeitabständen von etwa 115 Femtosekunden jeweils ein Schnappschuss des Pentacen-Moleküls aufnehmen. Eine Serie solcher Momentaufnahmen ergab den Zeitlupenfilm der Molekülschwingungen.

Nach dem erfolgreichen Test an einem einzelnen Pentacen-Molekül könnte diese Methode auch auf andere Substanzen angewendet werden. Prinzipiell ließe sich damit auch der Ablauf von chemischen Reaktionen zwischen verschiedenen Molekülen mit atomarer Genauigkeit und zuvor unerreicht zeitlicher Auflösung untersuchen.