Fakultätsbericht 2016-2017

In einer großen internationalen Zusammenarbeit mit Prof. Dr. Jens Biegert vom ICFO in Barcelona wurde zum ersten Mal der Aufbruch einer chemi- schen Bindung direkt beobachtet—und dies mit sub-atomarer räumlicher Auflösung und wenigen Femtosekunden (10 -15 s) zeitlicher Auflösung. Dabei wurden die Elektronen des Moleküls ge- nutzt, um die Struktur des Moleküls abzubilden, ähnlich wie bei einem „Selfie“ (LIED– laser-induced electron diffraction). In diesem Projekt ist es gelungen, den Aufbruch einer C-H-Bindung in Acetylen innerhalb von 9 fs, nachdem das Molekül ionisiert wurde, abzubilden. Möglich war dies experimentell durch eine neu- artige Laserquelle im mittleren IR-Bereich, kombi- niert mit einem sogenannten Reaktionsmikroskop, bei dem die freigesetzten Teilchen in Koinzidenz dreidimensional erfasst werden. Wir haben dabei durch unsere quantenche- mischen und dynamischen Rechnungen aufge- klärt, wie die Orientierung des Moleküls relativ zur Richtung des elektrischen Felds die Dynamik der Reaktion ändert: bei paralleler Ausrichtung wurde eine Vibration des Moleküls beobachtet, während bei senkrechter Ausrichtung eine C-H- Bindung aufbricht. Derzeit arbeiten wir weiterhin FORSCHUNG — 67 „Molekül-Selfie“ enthüllt Aufbruch einer chemischen Bindung mit der Gruppe von Prof. Biegert in sehr ähnlichen Fragestellungen zusammen. [2] Wolter, B., Pullen, M.G., Le, A.-T., Baudisch, M., Doblhoff-Dier, K., Senft- leben, A., Hemmer, M., Schröter, C.D., Ullrich, J., Pfeifer, T., Moshammer, R., Gräfe, S., Vendrell, O., Lin, C.D., Biegert, J. (2016): Ultrafast electron diffraction imaging of bond breaking in acetylene. Science, 2016, 354, 308-312. Zusammen mit der AG Deckert vom IPC (FSU Jena) haben wir untersucht, wie die unterwartet hohe Auflösung bei Tip- Enhanced Raman Spectrosco- py (TERS) erklärt werden kann. Wir stellten dabei fest, dass nicht nur elektromagnetische Effekte (Feldüberhöhung an der plasmonischen Spitze, etc.) verantwortlich sind, son- dern auch „chemische“ Effek- te, d.h. die hohe räumliche Nä- he des Moleküls zu den Me- tallatomen der Spitze eine wichtige Rolle spielen. Inspi- riert durch diese Zusammenar- beit wird sich das ERC-Projekt damit beschäftigen, eine selbst-konsistente Methode zu entwickeln, in der sowohl die oben genannten elektromag- netischen Effekte als auch die chemischen Effekte mitbe- rücksichtigt sowie die ultra- schnelle Dynamik des Systems untersucht werden sollen. [3] F. Latorre, S. Kupfer, T. Bocklitz, D. Kinzel, S. Trautmann, S. Gräfe, V. Deckert (2017): Spatial resolution of tip-enhanced Raman spectroscopy – DFT assessment of the chemical effect. Nanoscale 2016, 8, 10229- 10239. Zeit- und ortsaufgelöste ultraschnelle Dynamik in molekularen-plasmonischen Hybridsystemen – ERC Consolidator Grant 2017 Abb. 3. Schematische Dar- stellung der zu untersuchenden molekularen plasmonischen Hybridsysteme und deren ultra- schnelle lichtinduzierte Dynamik. Abb. 2. Berechnete elektronische Zustände und Ioni- sierungspfade, die zum C-H-Bindungsbruch führen. Abbildung aus Ref. [2].