Time-resolved studies of ultrafast molecular dynamics
- Reference number
- ICA08-0049
- Start and end dates
- 090910-131231
- Amount granted
- 3 000 000 SEK
- Administrative organization
- Lund University
- Research area
- Materials Science and Technology
Summary
The main objective of this project is to temporally resolve photo-induced molecular dynamics, first in smaller benchmark molecules, but with the long term goal to address also larger systems like bio-molecules and condensed matter systems. The experiments rely on recording interference and diffraction patterns of free electrons, released from laser-aligned molecules through extreme ultraviolet and x-ray induced photo-ionization, fully resolved in momentum space by the velocity map imaging technique. The experimental work will be carried out on two fronts: using facility-scale high flux free-electron lasers as well as laboratory-scale attosecond pulse sources. In the FEL experiments, the molecular structure will be studied, following the internal positions of the atoms in the molecule in real time as the molecule undergoes dynamics. The attosecond experiments will be used to follow the considerably faster electron dynamics that take place during, and are utterly responsible for, the excitation, ionization and dissociation of molecules. This combination of techniques will provide a powerful tool for obtaining a more complete picture of the molecular structure and dynamics, of interest in fields like Materials Science and structural biology.
Popular science description
Vill man ta en bild av något som rör sig mycket snabbt, krävs det att man använder en kort exponeringstid. Om kamerans slutare är öppen under för lång tid, hinner det man vill fotografera röra sig under tiden filmen exponeras, med resultatet att bilden blir suddig. Kemiska reaktioner är exempel på något som sker på väldigt kort tid, typiskt några hundra femtosekunder (en femtosekund är en miljondels miljarddels sekund). För att kunna tidsupplösa dessa har forskare under de senaste tjugo åren använt ultrakorta laserpulser, både till att starta reaktionen och för att mäta resultatet. Med femtosekundspulser är det möjligt att följa rörelserna hos de atomer som molekylen är uppbyggd av. De elektroner som binder samman atomerna i molekylen, och är ytterst ansvariga för att reaktionen sker men också för i vilken riktning reaktionen fortskrider, rör sig dock ännu snabbare än så. För att kunna tidsupplösa dessa behöver man attosekundspulser, där en attosekund är en miljarddels miljarddels sekund, det vill säga tusen gånger kortare än en femtosekund. Avsikten med detta projekt är att tidsupplöst studera vad som i detalj händer med molekyler då de genomgår en kemisk reaktion. Dessa studier vill vi göra dels på en femtosekundsskala, för att studera hur atomerna i molekylen rör sig, men också på en attosekundsskala, för att se hur elektronerna rör sig. Arbetet kommer därför att utföras vid två olika ljuskällor: dels vid stora internationella så kallade frielektronlaser-faciliteter som producerar intensiva femtosekundspulser, och dels i laboratoriet där vi har tillgång till attosekundspulser. För att se vad som händer i molekylen kommer vi i båda fallen att titta på de elektroner som skickas ut från molekylen då den absorberar laserljuset, för att till exempel se hur dessa sprids mot de olika atomerna i molekylen, eller hur de påverkar varandra. Kombinationen av experimentella tekniker som vi tänker använda erbjuder ett kraftfullt verktyg för att få en helhetsbild av den molekylära strukturen och dess dynamik, vilket är av intresse inom forskningsfält som Materialvetenskap och strukturell biologi.