Coulomb explosion as a high-dimensional probe of single molecules

Abstract

The past decades saw the development of X-ray induced Coulomb explosion imaging as one of several methods to perform single-particle molecular imaging on a femtosecond timescale. It has been enabled by the advent of x-ray free electron lasers. It works by firing intense ultrashort x-ray pulses on a gas jet of molecules. A single pulse rapidly and strongly ionizes a single molecule, resulting in its ultrafast dissociation, after which the momenta of the atomic fragments are measured in coincidence. This method has been successfully applied to molecules composed of few atoms, but its extension to larger systems remains a challenge. In this thesis, we use simulation and advanced analysis techniques to explore the potential of Coulomb explosion imaging and its applicability to larger molecules, focusing on the 2-iodopyridine molecule (C5H4NI), which has been measured experimentally. We show that, despite detecting only few fragments in coincidence, Coulomb explosion imaging provides meaningful images of the molecule. Analyzing our simulations in detail, we establish that collisions between atoms during the explosion induce measurable correlations between the momenta of the measured fragments, indicating that a large amount of information is hidden in the high dimensionality of the data. We then include the vibrational ground-state fluctuations of the molecule in our simulations, and show that they also leave a fingerprint in the ion-ion correlations, demonstrating that Coulomb explosion can be used to image the complex collective features of a distribution of molecular structures. To apply those analyses to the experiment, we develop an algorithm to systematically find the correlations in the experimental data. Our method succeeds despite the random orientation of the molecule in the lab frame and the limited efficiency of the detectors, thereby opening new ways to interpret Coulomb explosion data, and allowing to exploit some of its untapped potential.

In den vergangenen Jahrzehnten wurden zahlreiche Methoden zur Untersuchung einzelner Moleküle auf der Femtosekunden-Zeitskala entwickelt. Eine dieser Methoden ist die Röntgenstrahlen-induzierte Coulomb-Explosion, die durch der Einsatz von Röntgen-Freie-Elek-tronen-Lasern ermöglicht wurde. Hierbei werden intensive, ultrakurze Röntgenpulse auf einen Gasstrahl aus Molekülen geschossen. Die Wechselwirkung eines Röntgenpulses mit einem einzelnen Molekülen verursacht dessen schnelle und starke Ionisation und führt dadurch zu einer ultraschnellen Dissoziation in seine atomaren Fragmente. Danach werden die Impulse der Atomfragmente gleichzeitig gemessen. Diese Methode wurde bereits erfolgreich auf Moleküle, die aus nur wenigen Atomen bestehen, angewandt, die Ausweitung auf größere Systeme bleibt jedoch eine Herausforderung. In dieser Arbeit nutzen wir Simulationen und fortgeschrittene Analysemethoden, um das Potenzial der Coulomb-Explosion und die Anwendbarkeit auf größere Moleküle zu untersuchen. Dabei konzentrieren wir uns auf das 2-Iodpyridin-Molekül (C5H4NI), das experimentell untersucht wurde. Wir zeigen, dass die gleichzeitige Messung von nur wenigen Fragmenten genügt, um mittels Coulomb-Explosions-Bildgebung aussagekräftige Bilder des untersuchten Moleküls zu erhalten. Durch eine detaillierte Analyse unserer Simulationen stellen wir fest, dass Kollisionen zwischen Atomen während der Explosion messbare Korrelationen zwischen den Impulsen der gemessenen Fragmente hervorrufen. Dies verdeutlicht den großen, in der hohen Dimensionalität der Daten verborgenen Informationsanteil. Die Berücksichtigung von Grundzustandsfluktuationen des Moleküls in den Simulationen zeigt, dass diese einen Fingerabdruck in den Ionen-Ionen-Korrelationen hinterlässt. Dies weist darauf hin, dass die Coulomb-Explosion genutzt werden kann, um die die komplexen kollektiven Merkmale einer Verteilung von Molekülstrukturen abzubilden. Um diese Analysen auf Experimente anzuwenden, entwickeln wir einen Algorithmus zum systematischen Auffinden der Korrelationen in experimentellen Daten. Die entwickelte Methode ist trotz der zufälligen Orientierung des Moleküls im Laborsystem und der begrenzten Detektoreffizienz erfolgreich und eröffnet somit neue Wege, Coulomb-Explosionsdaten zu interpretieren und einen Teil ihres bisher ungenutzten Potenzials auszuschöpfen.