German Title: Ultraschnelle Laserkontrolle Molekularer Quantendynamik aus der Rumpfelektronen-Perspektive

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Abstract

This work introduces two experimental approaches to control quantum dynamics in molecules, employing core electrons as messengers. A laser source providing ultrashort pulses has been developed to access the timescale of electronic and structural dynamics inside molecules. Pulses of few-cycle durations in the 1 μm to 2 μm short-wavelength infrared (SWIR) spectral region provide intensities up to 10^15 W/cm^2. In combination with a vacuum beamline, this experimental setup allows for ultrafast laser control of molecular dynamics probed by core-electron transitions via x-ray absorption spectroscopy (XAS). The first experiment investigates the manipulation of molecular electronic structure. Here, a soft x-ray (SXR) pulse probes simultaneously to an SWIR pulse of variable intensity. The measured intensity dependent absorbance changes in SF6 reveal an increased effective electronic-exchange energy. This demonstrates the alteration of this purely quantum-mechanical component of the electron-electron interaction for the first time. In a second experiment, an SWIR pulse induces coherent molecular vibrations with amplitudes of ten times the diameter of the nucleus. Subsequently, a time-delayed SXR pulse probes the bond-length changes via core-level transitions. This enables an unprecedented 14 femtometer precision which paves the way for site-specific vibrational metrology in gas-phase molecules. Overall, these results enable ultrafast chemical control on a quantum level.

Translation of abstract (German)

Diese Arbeit führt zwei neue experimentelle Ansätze zur Kontrolle von Quantendynamik in Molekülen aus der Sicht der Rumpfelektronen ein. Hierfür wurde eine Laser-Quelle entwickelt, deren ultrakurze Pulse Zugang zu den Zeitskalen der Elektronen- und Strukturdynamik in Molekülen ermöglichen. Mit einer Dauer von nur wenigen optischen Zyklen im 1 μm bis 2 μm Spektralbereich kurzwelliger Infrarotstrahlung (SWIR) werden Pulsintensitäten von bis zu 10^15 W/cm^2 erreicht. In Kombination mit einer Vakuumapparatur ermöglicht dieser experimentelle Aufbau die ultraschnelle Laserkontrolle von Molekül-Dynamik, welche durch Rumpfelektronen-Anregung mittels Röntgenabsorptionsspektroskopie (XAS) gemessen wird. Das erste Experiment untersucht die Manipulation der molekularen Elektronenstruktur. Dabei wird ein Puls im weichen Röntgenbereich (SXR) gleichzeitig zu einem SWIR Puls mit veränderlicher Intensität eingestrahlt. Die gemessene Absorption in SF6 zeigt eine Intensitätsabhängigkeit und deckt damit eine Zunahme der effektiven Elektronen-Austauschwechselwirkungs-Energie auf. Diese Messung demonstriert erstmalig eine gezielte Änderung dieser rein quantenmechanischen Komponente der Elektron-Elektron-Wechselwirkung. In einem zweiten Experiment regt ein SWIR Puls kohärente Molekülvibrationen mit einer Amplitude des zehnfachen Kerndurchmessers an. Der zeitverzögerte SXR Puls misst die Bindungslängenänderung mittels Rumpfelektronen-Übergängen. Die dabei erreichte, bisher beispiellose Präzision von 14 Femtometern ebnet den Weg für Atom-spezifische Vibrationsmetrologie in Molekülen in der Gasphase. Insgesamt ermöglichen diese Ergebnisse eine ultraschnelle chemische Kontrolle auf der Quantenebene.