Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-1085
Main Title: Scattering and Coherence Phenomena in the Photoionization of Small Molecules
Translated Title: Streu- und Kohärenzeffekte in der Photoionisation kleiner Moleküle
Author(s): Rolles, Daniel
Advisor(s): Becker, Uwe
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät II - Mathematik und Naturwissenschaften
Type: Doctoral Thesis
Language: English
Language Code: en
Abstract: Interferenz und Kohärenz sind grundlegende Wesenszüge der Quantenmechanik und spielen in der molekularen Photoionisation eine entscheidende Rolle. In der vorliegenden Arbeit wer­den Streu- und Kohärenzphänomene daher exemplarisch in der Innerschalen-Photoionisation des Kohlenmonoxid- und Stickstoffmoleküls untersucht, und die in diesem Zusammenhang angewandten Messmethoden der winkelaufgelösten Elektronen-Flugzeitspektroskopie sowie der hochauflösenden Photoelektronen-Fragmentionen-Koinzidenzspektroskopie werden vor­gestellt. Am Beispiel der erstmals über einen weiten Energiebereich untersuchten Photoelektronen­beugung an freien Kohlenmonoxidmolekülen wird der Einfluss der Photoelektronenstreuung auf die Dynamik der Innerschalenphotoionisation demonstriert. Dabei wird insbesondere ein unterschiedliches Verhalten der Vorwärts- und Rückwärts-Streukanäle sichtbar, das unter anderem den Mehrfachstreucharakter der sogenannten Formresonanz ("shape resonance") belegt. Darüber hinaus ermöglicht die Analyse der Diffraktionsmodulation des Rückwärts-Streu­kanals erstmalig eine Bestimmung der molekularen Struktur eines freien Moleküls durch Photoelektronenbeugung. Die Innerschalen-Photoionisation von homonuklearen, zweiatomigen Molekülen und die Frage der Lokalisation oder Delokalisation von Innerschalen-Löchern werden am Beispiel des Stickstoffmoleküls behandelt. An Hand der Winkelverteilung der 1 sigma_g und 1 sigma_u Photoelekt­ronen wird dabei erstmalig gezeigt, dass die Photoelektronenemission in einem solchen System als molekulares Doppelspaltexperiment interpretiert werden kann. Die in der Inversionssymmetrie des Moleküls zum Ausdruck kommende Ununterscheidbarkeit der bei­den atomaren Zentren führt zur kohärenten Emission der Photoelektronen und zu charakteris­tischen, die Delokalisation der Rumpflöcher widerspiegelnden Interferenzmustern in der Photoelektronenwinkelverteilung. Durch Vergleich des natürlich vor­kommenden 14,14N2 Stickstoff-Moleküls mit den isotopen-substituierten Molekülen 14,15N2 und 15,15N2 wird der Übergang vom inversions-symmetrischen zum symmetrie-gebrochenen System untersucht. Dabei zeigte sich, dass der durch die Isotopensubstitution verursachte Symmetriebruch in 14,15N2 zu einer teilweisen Lokalisation des Rumpfloches und paritätsge­mischten Photoelektronenwellen führt. Die 1sg und 1su Zustände verlieren ihre Reinheit als Eigenfunktionen des Paritätsoperators, und es kommt zu einer Mischung beider Zustände und in der Folge zu einer Änderung des Wirkungs­querschnitts und der Winkelverteilung im Prozentbereich. Dieser unerwartete Isotopeneffekt auf die elektronische Struktur eines homonuklearen zweiatomigen Moleküls ist der erste in der Photoelektronenspektroskopie beobachtete Effekt dieser Art und veranschaulicht den Beginn eines kontinuierlichen Übergangs des kohärenten, delokalen zu einem inkohärenten, lokalen System. Dieser Übergang ist vergleichbar mit der in Teilcheninterferenzexperimenten beobachteten "Dekohärenz" und hat zum Beispiel in der Erforschung von Quantenpunkten konkrete und techni­sche Bedeutung, da diese zur Speicherung von Quantenbits und als Bausteine für Quanten­gatter in Quantencomputern in Betracht gezogen werden. Weiterführende pump-probe Expe­rimente an dem in diesem Jahr in Betrieb gehenden Freie Elektronen Laser (VUV-FEL) könnten die in dieser Arbeit gefundenen Erkenntnisse weiter vervollständigen und damit weitere wichtige Beiträge zur Erforschung von Kohärenz- und Dekohärenzprozessen leisten.
Scattering, interference, and coherence phenomena are discussed for the inner-shell photoionization of the two showcase molecules carbon monoxide and nitrogen. The inner-shell photoionization process is studied using high resolution angle-resolved photoelectron time-of-flight spectroscopy as well as angle-resolved photoelectron--photoion coincidence spectroscopy (ARPEPICO). In the latter technique, the spatial orientation of free gas-phase molecules is determined from the fragment-ion momenta measured in an ion time-of-flight spectrometer equipped with a position sensitive anode. In the heteronuclear CO molecule, the scattering of the carbon core photoelectron on the neighboring oxygen atom leads to photoelectron diffraction, which, for the first time, is studied over a wide energy range in a free gas-phase molecule. The measurement reveals a different diffraction behavior of the forward and backward scattering channels and provides the means for a direct determination of the molecular structure of a free molecule via photoelectron diffraction. It also provides direct evidence for the multiple scattering character of the so-called shape resonance, which is a prominent feature in the photoionization of small molecules. In the homonuclear nitrogen molecule, the inversion symmetry of the molecule and the resulting non-locality of the core electrons lead to coherent photoelectron emission from two identical atomic sites. The two-slit nature of the emission process is demonstrated by characteristic interference patterns in the molecule frame photoelectron angular distribution of the 1 sigma_g; and 1 sigma_u core states. The transition to the symmetry-broken system of localized electrons is studied by comparing different isotope substituted species of the N2 molecule. Isotope substitution is shown to lead to a partial localization of the non-local core hole, exhibited by a parity mixing of the outgoing photoelectron wave, if the substitution breaks the inversion symmetry of the molecule. This is the first experimental observation of such a Born-Oppenheimer forbidden isotope effect on the photoelectron spectrum of a diatomic homonuclear molecule. It demonstrates the onset of the gerade-ungerade symmetry breakdown accompanying the continuous transition from non-localization to localization and coherence to incoherence.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus-9854
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/1382
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-1085
Exam Date: 25-May-2005
Issue Date: 8-Jun-2005
Date Available: 8-Jun-2005
DDC Class: 530 Physik
Subject(s): Doppelspalt
Elektron-Ion-Koinzidenzen
Elektronenspektroskopie
Kohlenmonoxi
Orientierte Moleküle
Photoelektron
Photoionisation
Winkelverteilung
Angular distributions
Double slit
Electron spectroscopy
Electron-ion-coincidence
Fix
Oriented molecules
Photoelectron
Photoionization
Two-slit
Usage rights: Terms of German Copyright Law
Appears in Collections:Technische Universität Berlin » Fakultäten & Zentralinstitute » Fakultät 2 Mathematik und Naturwissenschaften » Publications

Files in This Item:
File Description SizeFormat 
Dokument_42.pdf20.28 MBAdobe PDFThumbnail
View/Open


Items in DepositOnce are protected by copyright, with all rights reserved, unless otherwise indicated.