Molecular Modeling at High X-ray Intensity: Developments, Applications and Challenges

Abstract

Röntgen-Freie-Elektronen-Laser (XFELs) stellen hochintensive und ultrakurze Femtosekunden-Röntgenpulse bereit. Mit dem Aufkommen solcher Großforschungsanlagen während der letzten Dekade bieten sich z.B. vollkommen neuartige Möglichkeiten für die Untersuchung der Struktur von Molekülen. Inzwischen etablierte Methoden beruhen meist auf der Messung von Beugungsmustern nach der Bestrahlung einer kristallinen Probe mit Röntgenstrahlen. Für diese Ansätze ist es essentiell, dass Strahlungsschäden sowohl an den Elektronen als auch an den Atomkernen des untersuchten Moleküls vermieden werden, um die höchstmögliche Auflösung zu erreichen. Meine Ergebnisse aus Ab-initio-Rechnungen lassen erkennen, dass der induzierte elektronische Strahlungsschaden bei weichen XFEL-Pulsen sich deutlich von jenem bei harten XFEL-Pulsen unterscheidet. XFEL-Pulse können allerdings auch dazu verwendet werden, die atomaren Bausteine der Moleküle selbst abzubilden. Dabei werden die Impulse der atomaren Ionen nach der Coulombexplosion gemessen, welche durch den XFEL-Puls ausgelöst wurde. Diese Coulomb Explosion Imaging (CEI) genannte Messmethode steckt allerdings noch in den Anfängen und eine der Haupthürden, welche in Zukunft noch zu nehmen sind, ist die Inversion der gemessenen Impulsraumdaten in den Ortsraum. Die Resultate meiner Rechnungen, in welchen ich einen hybriden quantenmechanisch-klassischen Ansatz benutzt habe, sind in guter Übereinstimmung mit kürzlich erhaltenen experimentellen Ergebnissen. Dies macht den verwendeten Code auf lange Sicht vielversprechend für die oben genannte Strukturinversion von XFEL-induzierten Coulombexplosionsdaten. Im letzten Teil dieser Doktorarbeit leite ich ein Ladungstransferschema her, welches auf quantenmechanischen Prinzipien basiert. Dieses Modell füllt eine Lücke, da in anderen Modellen die Zeitabhängigkeit des Elektronentransfers häufig nicht auf mikroskopischer Ebene modelliert ist.