Femtochemie: Studium der Dynamik der chemischen Bindung auf atomarer Skala mit Hilfe ultrakurzer Laserpulse (Nobel‐Aufsatz)

Über viele Jahrtausende war die Menschheit bestrebt, Vorgänge auf einer immer kürzeren Zeitskala zu verfolgen. In diesem Wettlauf gegen die Zeit ist die Femtosekunden‐Zeitauflösung (1 fs=10 −15  s) die nicht zu übertrumpfende Errungenschaft im Hinblick auf das Studium der grundlegenden Dynamik der chemischen Bindung. Die Beobachtung genau der Vorgänge, die Chemie zu Wege bringen – die Bildung und der Bruch von Bindungen auf ihren tatsächlichen Zeit‐ und Längenskalen –, ist der Urquell für das Gebiet der Femtochemie, der Untersuchung molekularer Bewegungen in den bisher nicht beobachtbaren flüchtigen Übergangszuständen physikalischer, chemischer und biologischer Veränderungen. Das Erreichen dieser Auflösung auf atomarer Skala unter Verwendung von ultrakurzen Laserpulsen als Blitzlichtern ist ein Triumph für die Moleküldynamik, ähnlich wie es die Röntgen‐ und Elektronenbeugung sowie in jüngerer Zeit die Rastertunnelmikroskopie und die NMR‐Spektroskopie bei der Untersuchung statischer Molekülstrukturen waren. Auf der Femtosekunden‐Zeitskala lassen sich (teilchenartige) Materiewellen erzeugen und ihre kohärente Entwicklung als Einzelmolekül‐Trajektorie beobachten. Das Forschungsgebiet nahm seinen Anfang mit der Untersuchung einfacher Systeme aus wenigen Atomen und hat jetzt die Welt des sehr Komplexen in isolierten Systemen, mesoskopischen und kondensierten Phasen und in biologischen Systemen wie Proteinen oder DNA‐Strukturen erreicht. Es eröffnet uns außerdem neue Möglichkeiten der Reaktionssteuerung sowie der Struktur‐Femtochemie und der Femtobiologie. Die hier vorgelegte Anthologie gibt einen Überblick über die Entwicklung dieses Forschungsgebietes aus einer persönlichen Sicht, umfasst unsere Arbeiten am Caltech und konzentriert sich auf die Entwicklung von Techniken, auf Konzepte und auf neue Entdeckungen.