Ein neuer Blick auf Multi-Elektronen-Wechselwirkungen

Im Zuge eines EU-finanzierten Projekts wurde ein gemeinsames theoretisches Rahmenwerk aufgebaut, das auf Konzepten aus physikalischen, chemischen und mathematischen Untersuchungen gründet, um die komplexe Dynamik in den Wechselwirkungen zwischen Laser und Materie zu beschreiben.

Industrielle Technologien

Grundlagenforschung

Die Wissenschaft der Attosekunden hat die Tür zur Echtzeitbeobachtung und Zeitbereichssteuerung der Elektronendynamik im atomaren Bereich aufgestoßen. Das Studium der Elektronenkorrelation, d. h., der Wechselwirkungen zwischen Elektronen, durch ultrakurze Laserimpulse, eignet sich ideal zur Untersuchung von sowohl Quantenkonzepten als auch klassischen Ansätzen. Die unter Nutzung beider Rahmenwerke erzielten Resultate können mit neuesten experimentellen Ergebnissen verglichen werden. Im Zuge des EU-finanzierten Projekts TRANS-MI (Transition states for multielectron ionization phenomena) wurde ein einheitlicher theoretischer Rahmen eingerichtet, der sich analog zur Theorie des Übergangszustandes für chemische Reaktionen verhält. Die Arbeit verbessert das Verständnis von der Bedeutung von Multi-Elektronen-Wechselwirkungen im Bereich der Starkfeld-Laserphysik. Atome und Moleküle sind bei einer Exposition gegenüber starken elektromagnetischen Feldern multiplen Ionisationen ausgesetzt. Der Mechanismus, der die korrelierte Emission reguliert, folgt dem Rekollisionsprozess. Zunächst wird das Elektron durch das Feld ionisiert. Daraufhin wird es durch eine Umkehrung der Feldrichtung zurück zum Kern geschleudert, wo es mit dem zweiten Elektron kollidiert und somit eine korrelierte Emission auslöst. Dies wird auch als nichtsequentielle Doppelionisation (non-sequential double ionisation, NSDI) bezeichnet. Das TRANS-MI-Team enthüllte erfolgreich den dynamischen Mechanismus, der für Elektronenrekollisionen verantwortlich ist, welche den Energieaustausch zwischen Laser und Atom oder Molekül beschreibt. Es wurde erstmals demonstriert, dass die Phasenraumstrukturen zum Entstehen stark korrelierter NSDI führen können. Hierdurch wurde das Verständnis des Rekollisionsprozesses verbessert. Im Rahmen künftiger Forschungsarbeit wird untersucht, wie diese Entdeckung mit der Forschung im Bereich der angewandten Mathematik und Himmelmechanik in Zusammenhang steht. Ein weiterer Fokus lag darauf, in Erfahrung zu bringen, wie unterschiedliche Umgebungen die chemische Reaktivität und die Phasenraumstrukturen beeinflussen können. Aufbauend auf einem vorherigen Forschungserfolg zu einem schwer fassbaren Phänomen, das als Kramers-Theorem bekannt ist, bei dem das Verhältnis zwischen Molekülreibung und -dichte in einem Wärmebad untersucht wird, konnten die Wissenschaftler neue Einblicke in die Reaktionen kleiner polyatomarer Moleküle in einem vollständigen Atomwärmebad gewinnen. Das Team stellte zudem einen Zusammenhang zwischen der Stabilität des Übergangszustands chemischer Reaktionen und ihrer Geschwindigkeit her. Basierend hierauf wurde ein fortschrittlicher Rechenansatz ausgearbeitet, der die Berechnung von Molekülreaktionsgeschwindigkeiten vereinfacht. Dies hebt die Anforderung auf, Millionen reaktiver Trajektorien zu berechnen, die bei den meisten anderen Computersystemen erforderlich wäre. Die TRANS-MI-Ansätze reduzieren die Komplexität hinsichtlich der Untersuchung chaotischer Elektronenwechselwirkungen bei Atomen oder Molekülen, die viele Freiheitsgrade umfassen. Ein Verständnis der Wechselwirkung von Molekülen mit ihrer Umgebung ermöglicht Wissenschaftlern zudem eine selektive Steuerung chemischer Reaktionen sowie die Vermeidung unerwünschter Nebenprodukte.

Schlüsselbegriffe

Multi-Elektronen-Wechselwirkungen, Laser-Materie-Wechselwirkung, Elektronenkorrelation, TRANS-MI, chemischen Reaktionen

Transition States for Multielectron Ionization Phenomena

Ein neuer Blick auf Multi-Elektronen-Wechselwirkungen

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