Ultra-schnelle Pump-Probe in silico Experimente mit Systemen in kondensierter Phase

• Antragsteller: Professor Dr. Thomas D. Kühne, seit 3/2018
• Fachliche Zuordnung: Theoretische Chemie: Elektronenstruktur, Dynamik, Simulation ; Physikalische Chemie von Molekülen, Flüssigkeiten und Grenzflächen, Biophysikalische Chemie
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 352773479

Neue Lichtquellen wie FLASH in Hamburg, LCLS in Stanford und das im Bau befindliche European-XFEL in Hamburg ermöglichen die Erzeugung vollständig synchronisierter, ultrakurzer und hochintensiver Lichtpulse. Diesen Lichtquellen ermöglichen erstmalig chemische und biologische Prozesse durch einen pump-Puls zu induzieren und die Dynamik des Systems mit Hilfe eines probe-Puls auf einer Femtosekunden-Zeitskala zu verfolgen. Diese so genannten pump-probe Experimente spielen eine äußerst wichtige Rolle in Echtzeit-Untersuchungen von chemischen und biologischen Prozessen. Diese Techniken werden außerdem benutzt, um Temperatursprünge (T-jumps) auf ultrakurzen Zeitskalen zu erzeugen, um die sehr schnelle Kinetik chemischer Vorgänge zu untersuchen. Wegen ihrer biologischen und chemischen Relevanz haben T-jump Experimente an Wasser eine große Aufmerksamkeit erhalten. Anstatt als passive Umgebung spielt die Dynamik des Wassers selbst eine wichtige Rolle in der Solvatatisierung und Stabilisierung von Zwischenprodukten chemischer und biologischer Reaktionen. Um insbesondere die O-H Streckschwingung von Wasser zu untersuchen, wird häufig ein Infrarot (IR) Laser verwendet, um T-jumps auf einer nano- bzw. Femtosekunden-Zeitskala zu erzeugen. Mit Hilfe dieser Methode konnten aber bisher nur relative kleine T-jumps realisiert werden. In meinen früheren Arbeiten habe ich mit Hilfe von Computersimulationen einen neuartigen Mechanismus vorgeschlagen, um T-jumps von mehreren hundert Kelvin zu ermöglichen. Durch einen THz pump-Puls mit 100 cm^-1 (3 THz) und einer Intensität von 5x10^12 W/cm2 wird ein relativ großer Anteil der Gesamtenergie auf die inter- und intramolekulare Schwingungsfreiheitsgrade von Wasser innerhalb weniger als 1 ps übertragen. Der große Energietransfer führt zu sehr starken Änderungen der Struktur und der Schwingungen, welche mit Hilfe von verschiedenen zeitaufgelösten Methoden gemessen werden können. In diesem Projekt möchte ich mich auf die Untersuchung der, durch einen starken THz Puls, induzierten Änderungen im Wasserstoffbrückenbindungsnetzwerk von Wasser mit Hilfe von ab initio Molekulardynamik Simulationen und deren Kombination mit der kürzlich entwickelten periodischen Energie Zerlegungsmethode konzentrieren (ALMO EDA). Durch Ausnutzung meiner großen Expertise über zeitabhängige elektrische Felder, möchte ich die 2.-Generation Car-Parrinello Molekulardynamik Methode für pump-probe Simulationen erweitern und auf diese Art Systeme von noch nie dagewesener Komplexität untersuchen. Diese Entwicklung ermöglicht es die zeitaufgelöste Dynamik chemischer und biologischer Prozesse zu betrachten. Fortschritte in der Entwicklung neuer THz Quellen, welche Pulse über einen großen Frequenz- und Intensitätsbereich generieren können, öffnen die Tür zu großen strukturellen Änderungen. In dem Sinne plane ich mit solchen Quellen beschossener Systeme computergestützt mit Hilfe zeitaufgelöster IR-, Raman- und Röntgenspektroskopie zu studieren.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Ehemaliger Antragsteller: Pankaj Kumar Mishra, Ph.D., bis 2/2018