Mit geformten Laserpulsen Moleküle besser verstehen

ERC Starting Grant für Daniel Keefer

Ob Solarzellen oder die Photosynthese bei Pflanzen: Die Wechselwirkung von Licht mit Molekülen spielt oft eine entscheidende Rolle bei chemischen und physikalischen Prozessen. Oftmals sind die genauen quantenmechanischen Prozesse jedoch nicht ausreichend verstanden. Diese experimentell zu untersuchen ist hierbei schwierig, da manche von den Molekülen ausgesendeten Signale durch sie überlagernde Signale verborgen sind. Daniel Keefer, Gruppenleiter am Max-Planck-Institut für Polymerforschung, hat nun einen ERC Starting Grant eingeworben, um diese Herausforderung mit Hilfe theoretischer Methoden anzugehen.

Viele chemische und physikalische Prozesse basieren auf der Wechselwirkung von Licht mit Molekülen. Pflanzen z. B. wandeln durch Sonnenlicht Kohlendioxid und Wasser in Glukose und Sauerstoff um. Das genaue Verständnis solcher photochemischer Reaktionen könnte neue Wege für zukünftige Technologien eröffnen. Beispiele hierfür sind z. B. die Photokatalyse, in der Moleküle mit Hilfe von Licht gespalten werden können - wie beispielsweise Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff -, oder Photovoltaik, bei der mit Hilfe von Sonnenlicht Strom erzeugt werden kann.

Die Wechselwirkung zwischen Licht und den Molekülen basiert vorrangig darauf, dass die Elektronen, die sich in einer Art Wolke um das Molekül herumbewegen, mit dem Licht interagieren: Lichtteilchen – Photonen genannt – können z. B. absorbiert werden. Solche Prozesse, insbesondere auch deren Geschwindigkeit, können mit Hilfe von ultrakurzen Laserpulsen untersucht werden. Diese Pulse können bis zu einem millionstel Teil einer milliardstel Sekunde kurz sein und ermöglichen es, Momentaufnahmen vom Zustand der Moleküle zu machen.

Experimentell geben Moleküle jedoch längst nicht alle ihre Informationen preis, weiß Daniel Keefer, Gruppenleiter im Arbeitskreis von Mischa Bonn: „Einige der quantenmechanischen Prozesse, die auf diesen kurzen Zeitskalen vonstattengehen, hinterlassen im Experiment nur sehr schwache Signaturen.“

Keefer arbeitet an theoretischen Methoden, um diese versteckten Signaturen messbar zu machen. „In der Theorie, mit der ich arbeite, stehen alle molekularen Signaturen uneingeschränkt zur Verfügung – das heißt ich kann berechnen, wie die eingesetzten Laserpulse modifiziert werden müssen, um diese Signaturen möglichst optimal messen zu können“, so Keefer.

Sein Ansatz hierbei ist die „Formung“ der verwendeten Laserpulse, mit denen die Moleküle bestrahlt werden – ein Ansatz, der aus der Quantenkontrolle stammt. „So ein Laserpuls besteht aus einem relativ breiten Spektrum an Farben“, erklärt Keefer. „Man kann nun etwa dafür sorgen, dass der Laserpuls an seinem Anfang eher rot und am Ende eher blau ist, aber auch umgekehrt.“

Keefers Ziel ist es, das genaue Design von Laserpulsen in der Theorie zu berechnen, um damit die quantenmechanische Signatur im späteren Experiment möglichst gut messen zu können. Ein Großteil dieser Experimente soll an Freie-Elektronen-Lasern, wie sie zum Beispiel in Hamburg, Triest oder Stanford stehen, umgesetzt werden. An diesen recht neuen Laseranlagen stehen neben sichtbaren und infraroten Laserpulsen, für die komplexe Pulsformung schon etabliert ist, auch hochenergetische Röntgenpulse zur Verfügung. Diese ermöglichen aufgrund ihrer höheren Energie und kleineren zeitlichen Länge einen noch detaillierteren Einblick in die molekulare Photochemie. Um sein Ziel zu verfolgen, hat er nun mit der TU München einen ERC Starting Grant eingeworben, der zum Start an das MPI für Polymerforschung nach Mainz transferiert wird. Das Projekt „Quantum Controlled X-ray Spectroscopy of Elementary Molecular Dynamics“ (QuantXS) mit einem Fördervolumen von 1,4 Mio. Euro hat eine Laufzeit von 5 Jahren.

Über Daniel Keefer

Daniel Keefer studierte an der LMU München, wo er einen Bachelor-Abschluss in Chemie und Biochemie (2012) und einen Master-Abschluss in Chemie (2014) erwarb. Danach schloss sich Daniel der Gruppe von Prof. Regina de Vivie-Riedle an der LMU an und promovierte 2019 in Theoretischer Chemie, wo er sich mit Quantenmolekulardynamik in komplexen Umgebungen und optimaler Quantenkontrolle beschäftigte. Anschließend wechselte Daniel für sein Postdoc-Studium an die University of California in Irvine, unterstützt durch ein Feodor Lynen-Forschungsstipendium der Alexander von Humboldt-Stiftung. In der Gruppe von Prof. Shaul Mukamel arbeitete er an der Entwicklung und Simulation von ultraschneller Röntgenspektroskopie zur Untersuchung molekularer Photochemie. Im Jahr 2023 kam er als Gruppenleiter an das Max-Planck-Institut für Polymerforschung in Mainz in den Arbeitskreis für Molekülspektroskopie.