Ultraschnelle Pump-Probe in silico Experimente mit Systemen in kondensierter Phase

Neue Lichtquellen wie FLASH in Hamburg, LCLS in Stanford und das im Bau befindliche European-XFEL in Hamburg erm?glichen die Erzeugung vollst?ndig synchronisierter, ultrakurzer und hochintensiver Lichtpulse. Diesen Lichtquellen erm?glichen 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 ?u?erst wichtige Rolle in Echtzeit-Untersuchungen von chemischen und biologischen Prozessen. Diese Techniken werden au?erdem benutzt, um Temperatursprünge (T-jumps) auf ultrakurzen Zeitskalen zu erzeugen, um die sehr schnelle Kinetik chemischer Vorg?nge zu untersuchen. Wegen ihrer biologischen und chemischen Relevanz haben T-jump Experimente an Wasser eine gro?e 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 h?ufig 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 erm?glichen. Durch einen THz pump-Puls mit 100 cm^-1 (3 THz) und einer Intensit?t von 5x10^12 W/cm2 wird ein relativ gro?er Anteil der Gesamtenergie auf die inter- und intramolekulare Schwingungsfreiheitsgrade von Wasser innerhalb weniger als 1 ps übertragen. Der gro?e Energietransfer führt zu sehr starken ?nderungen der Struktur und der Schwingungen, welche mit Hilfe von verschiedenen zeitaufgel?sten Methoden gemessen werden k?nnen. In diesem Projekt m?chte ich mich auf die Untersuchung der, durch einen starken THz Puls, induzierten ?nderungen 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 gro?en Expertise über zeitabh?ngige elektrische Felder, m?chte ich die 2.-Generation Car-Parrinello Molekulardynamik Methode für pump-probe Simulationen erweitern und auf diese Art Systeme von noch nie dagewesener Komplexit?t untersuchen. Diese Entwicklung erm?glicht es die zeitaufgel?ste Dynamik chemischer und biologischer Prozesse zu betrachten. Fortschritte in der Entwicklung neuer THz Quellen, welche Pulse über einen gro?en Frequenz- und Intensit?tsbereich generieren k?nnen, ?ffnen die Tür zu gro?en strukturellen ?nderungen. In dem Sinne plane ich mit solchen Quellen beschossener Systeme computergestützt mit Hilfe zeitaufgel?ster IR-, Raman- und R?ntgenspektroskopie zu studieren.

DFG-Verfahren Sachbeihilfen

Antragsteller Professor Dr. Thomas D. Kühne, seit 3/2018

Ehemaliger Antragsteller Dr. Pankaj Kumar Mishra, Ph.D, bis 2/2018