Im Attosekunden-Blitzer offenbaren Elektronen ihre Händigkeit

Das Prinzip ist uns allen seit der Kindheit vertraut: Unsere linke und rechte Hand sind zwar strukturell gleich aufgebaut, aber r?umlich anders angeordnet, so dass sie nicht deckungsgleich sind. Vielmehr verhalten sie sich wie Bild und Spiegelbild. Im Alltag heisst das: Der linke Handschuh passt nicht auf die rechte Hand.

Solche ?H?ndigkeit? ist auch eine grundlegende Eigenschaft von Materie:  ?hnlich wie unsere H?nde existieren auch viele Molek¨¹le in zwei spiegelbildlichen Versionen, die sich zwar zum Verwechseln gleichen, aber nicht identisch sind. In der Chemie spricht man von Chiralit?t.

Die Unterscheidung von chiralen Molek¨¹len spielt eine wichtige Rolle in der Biologie, Chemie und Pharmazie: Viele Bausteine des Lebens wie Erbsubstanz, Aminos?uren und Proteine sind chiral und kommen jeweils nur in einer links- oder rechtsh?ndigen Version vor. Chirale Medikamente k?nnen deshalb je nach H?ndigkeit gut wirken oder wirkungslos bis sogar sch?dlich sein.

Chiralit?t wird gemeinhin als Eigenschaft der Struktur betrachtet. ?J¨¹ngst mehren sich jedoch Hinweise, dass der strukturelle Ansatz nicht ausreicht, um chirale Ph?nomene vollst?ndig zu verstehen?, sagt Hans Jakob W?rner, Professor f¨¹r physikalische Chemie an der ETH Z¨¹rich.

Was bislang kaum erforscht war: Elektronen ¨C die kleinsten, blitzschnellen Bausteine von Atomen ¨C bewegen sich in chiralen Molek¨¹len unterschiedlich, je nachdem, ob diese links- oder rechtsh?ndig sind. Ein Team Forschenden unter W?rners Leitung hat nun erstmals einen Weg gefunden, die Emission von Elektronen aus chiralen Molek¨¹len in Echtzeit sichtbar zu machen und gezielt zu steuern. Die Resultate sind soeben im Fachjournal externe Seite Nature erschienen.

Vorg?nge auf der Attosekunden-Skala

Konkret haben W?rner und sein Team einen faszinierenden Effekt untersucht, der entsteht, wenn man chirale Molek¨¹le mit zirkular polarisiertem Licht bestrahlt ¨C also Licht, das sich wie ein Korkenzieher spiralf?rmig dreht. Dabei wird in den allerersten Augenblicken nach der Lichtanregung ein Elektron aus dem Molek¨¹l herausgeschleudert. Der Clou dabei: Je nach H?ndigkeit des bestrahlten Molek¨¹ls und Drehrichtung des Lichts wird das Elektron eher in die Ausbreitungsrichtung des einfallenden Lichtstrahls oder entgegengesetzt emittiert.

In ihrer Studie gelang es den Forschenden, diesen Effekt ¨C der als Photoelektrischer Zirkularer Dichroismus, kurz PECD, bekannt ist ¨C nicht nur zu vermessem, sondern auch zu verst?rken, zeitlich zu kontrollieren und sogar umzukehren.

M?glich machte diese Messung eine Art Blitzger?t f¨¹r Elektronen, das in seiner Pr?zision einzigartig ist: Es erzeugt zirkular polarisierte Attosekundenpulse ¨C also Lichtblitze, die eine zeitliche Aufl?sung von einem Milliardstel einer Milliardstelsekunde erm?glichen. Das braucht es, um die Elektronendynamik auf ihrer nat¨¹rlichen Attosekunden-Skala zu beobachten. Dank ihrer eigenen Drehrichtung k?nnen diese Lichtpulse erstmals auch die H?ndigkeit der Elektronenbewegungen erfassen.

In Kombination mit einem zeitlich ¨¹berlagerten, ebenfalls zirkular polarisierten Infrarotstrahl, konnten die Forschenden nicht nur messen, wie schnell ein Elektron nach der Lichtanregung aus einem Molek¨¹l ?herausfliegt?, sondern auch steuern, in welche Richtung sich das Elektron bevorzugt bewegt ¨C je nach H?ndigkeit der Probe, Drehrichtung der Lichtstrahlen und deren Phasenverschiebung.

Grundlagenforschung mit Anwendungspotenzial

Die Erkenntnisse erm?glichen einen neuen Zugang zu Chiralit?t: ?Wir verstehen H?ndigkeit nicht mehr nur als statisches Merkmal der Molek¨¹lstruktur, sondern auch als dynamisches Verhalten von Elektronen in chiralen Systemen?, sagt Meng Han, ehemaliger Postdoktorand in W?rners Gruppe und Erstautor der Studie. Die H?ndigkeit als kontrollierbares elektronisches Ph?nomen wurde bislang nur vermutet, war aber experimentell nicht zug?nglich, weil schlicht die Technologie dazu fehlte.

In Zukunft k?nnte der Attosekunden-Blitzer beispielsweise dabei helfen, die Chiralit?t medizinischer Wirkstoffe mit h?herer Empflindlichkeit zu ermitteln oder fundamentale Fragen ¨¹ber den Ursprung der H?ndigkeit des Lebens zu kl?ren.

Die Methode ?ffnet aber auch neue Wege zum zeitaufgel?sten Studium chiraler Prozesse auf elektronischer Ebene und k?nnte zur Entwicklung neuer Ans?tze in Informationsverarbeitung und Spintronik, molekularen Maschinen oder Biosensorik f¨¹hren.