Controlling non-rigid molecules with plasmon enhanced fields
Final Report Abstract
Moleküle existieren in Form von Modifikationen, zum Beispiel Stereo- und/oder Kernspinisomeren, die häufig unterschiedliche und interessante Eigenschaften haben. Verschiedene Isomere voneinander zu trennen ist jedoch schwierig, auch heute noch. Im Rahmen meines Projektes wollte ich herausfinden, ob eine neue Methode, basierend auf plasmonisch-verstärkten Laserfeldern, dieser Aufgabe gewachsen ist. Plasmonisch-verstärkte Laserfelder entstehen, wenn unter bestimmten Bedingungen ein Nanopartikel, zum Beispiel aus Gold, mit einem Laserfeld wechselwirkt. Es entsteht dann ein neues Feld, mit dessen Hilfe sich die Bewegungen von Molekülen im Raum manipulieren lassen. Ich wollte insbesondere untersuchen, ob sich Isomere von Molekülen, die nach Einwirkung von Licht ihre Struktur durch interne Drehungen [Torsionen] verändern können, mithilfe plasmonisch-verstärkter Laserfelder voneinander trennen lassen. Wie müssen also die Nanopartikel und Laserfelder beschaffen sein, damit eine Trennung von Isomeren solcher Moleküle gelingt? Beantworten wollte ich diese Frage mithilfe der Quantentheorie, das heißt, indem ich eine dem Problem entsprechende Schrödinger-Gleichung löse. Leider stellte sich die Lösung dieser Gleichung als numerisch zu anspruchsvoll heraus – das von mir verwendete Modell war zu kompliziert. Die dann naheliegende Abkürzung, einfachere Modelle zu verwenden, war mir allerdings versperrt: Forscher*innen hatten in jüngeren Veröffentlichungen behauptet, der Prozess der Laserkontrolle von Torsionen und der Drehungen von Molekülen im Raum, lässt sich nicht mit einfachen, das heißt zweidimensionalen [2D] Modellen (eine Drehung und Torsion) beschreiben. Weil die Drehungen des Moleküls und die Torsion sich nicht unabhängig voneinander manipulieren lassen, müssten stets vierdimensionale [4D] Modelle verwendet werden, um die Kontrolle molekularer Torsionen zu charakterisieren. So zeigten es zumindest ihre Untersuchungen. Da mich die Erkenntnisse der Wissenschaftler*innen aber nicht überzeugten und sich die Trennung von Isomeren mit plasmonisch-verstärkten nur mithilfe vereinfachender Modelle simulieren lassen, wie ich nun weiß, habe ich untersucht, unter welchen Bedingungen 2D Modelle für die Torsionskontrolle von Molekülen angemessene Näherungen sind. Ich habe dabei herausgefunden: (1) Meine Kolleg*innen haben sich geirrt. Wenn ich mehrere Laserpulse anwende und ihre Parameter geeignet wähle, können 2D Modelle gute Modelle sein. (2) Ob 2D Modelle gute Näherungen sind, hängt aber auch davon ab, wie ich die Polarisierbarkeit – das ist die Eigenschaft, über die die Moleküle mit dem Laserfeld wechselwirken – modellieren kann. Kann ich dazu das sogenannte additive Modell verwenden, und mir die Polarisierbarkeit des gesamten Moleküls als Summe der Polarisierbarkeiten seiner Teile denken, ist das 2D Modell tendenziell ein gutes Modell zur Beschreibung der Torsionskontrolle von Molekülen. Meine Suche nach den Bedingungen, die erfüllt sein müssen, damit das 2D Modell eine gute Näherung zum 4D Modell ist, war also erfolgreich. Auf Grundlage dieser Erkenntnisse kann ich nun Strategien entwickeln, die mir die Lösung der Schrödinger-Gleichung zur Beschreibung der Isomerentrennung ermöglichen sollten. Mein ursprüngliches Ziel konnte ich zwar nicht erreichen – eine erfolgreiche Simulation der Isomerentrennung mit plasmonisch-verstärkten Feldern muss noch etwas warten. Meine Erkenntnisse können für Anwendungen im Bereich der Torsionskontrolle trotzdem wichtig sein. Schließlich brauche ich auch für die schönste Anwendung Modelle, auf die ich mich verlassen kann.
