Theoretische Untersuchungen zur Quantendynamik der Kernspinisomere nicht- linearer Moleküle

Abstract

Gegenstand dieser Arbeit ist die Simulation und Kontrolle der Wellenpaketdynamik von Kernspinisomeren mehratomiger Moleküle nach der Wechselwirkung mit statischen und zeitabhängigen Magnetfeldern beziehungsweise mit nicht-resonanten Laserpulsen moderater Feldstärke. Dabei wird im Speziellen die Anregung interner Rotationen und die Ausrichtung von Molekülen durch Manipulation ihrer Rotations- beziehungsweise Rotations-Torsions- Freiheitsgrade untersucht. In einer ausführlichen Einführung werden dazu im ersten Teil dieser Arbeit die theoretischen Methoden zur Identifikation von Kernspinisomeren und die Beschreibung ihrer Quantendynamik diskutiert. Insbesondere wird die Molekülsymmetriegruppe und das Symmetrisierungspostulat im Detail besprochen, anhand einiger Beispiele illustriert und um den Aspekt der Identifikation von Kernspinisomeren in externen Feldern erweitert. Im zweiten Teil der Dissertation wird zum einen am Beispiel des Nitromethans demonstriert, dass es mit Hilfe magnetischer Felder bei Berücksichtigung der dipolaren Kopplung möglich ist, unterschiedliche Kernspinisomere einer methylhaltigen chemischen Verbindung zu Rotationen mit entgegengesetztem Drehsinn anzuregen. Andererseits wird herausgearbeitet, dass auch hinsichtlich ihrer Ausrichtung verschiedene Kernspinisomere ein unterschiedliches Verhalten zeigen, wie hier anhand der Kernspinisomere des starren symmetrischen Kreisels Propadien und des starren asymmetrischen Kreisels Ethen und strukturverwandter Verbindungen illustriert wird. Für bestimmte Paare von Kernspinisomeren wird klar: Zeigt das eine Isomer Ausrichtung, zeigt das entsprechende Partner- Isomer Anti-Ausrichtung. Ein weiteres Ergebnis ist, dass sich je nach gewählter Pulsstärke nicht alle Isomere einer Verbindung mit gleicher Effizienz ausrichten lassen. Die Untersuchungen der Kernspinselektivität im Ausrichtungsverhalten von Molekülen sind nicht nur auf starre Moleküle beschränkt: Für Dibortetrafluorid, ein nicht-starres Molekül mit beobachtbarer Torsion im elektronischen Grundzustand, wird illustriert, dass sich Kernspinisomere einer Verbindung neben ihrer Rotationsdynamik auch in ihrer Torsionsdynamik unterscheiden - verschiedene Kernspinisomere haben nach der Wechselwirkung mit einem nicht-resonanten Laserpuls zu bestimmten Zeitpunkten eine unterschiedliche Molekülstruktur. Als eine mögliche Anwendung zur Nutzung der Kernspinselektivität der Quantendynamik von Molekülen nach Wechselwirkung mit nicht-resonanten Laserpulsen wird gezeigt, dass es mit Hilfe zweier zeitlich versetzter Laserpulse gelingt, die Kernspinisomere des Dibortetrafluorids in unterschiedlicher Weise zu gerichteten Bewegungen anzuregen. Als zweite Anwendung wird die Trennung von Isotopomeren besprochen. Die Arbeit schließt mit einer Diskussion der verwendeten Modelle und einem knappen Ausblick, wie sich die hier erhaltenen Erkenntnisse nutzen lassen, um verschiedene Kernspinisomere voneinander zu trennen.

In this thesis the wave packet dynamics of nuclear spin isomers of polyatomic molecules after interaction with static and time-dependent magnetic fields and moderate intense non-resonant laser pulses is investigated. In particular, the process of inducing (internal) molecular rotation as well as alignment of molecules by manipulating their rotational or rotational-torsional degrees of freedom is studied. In the first part of the thesis all theoretical concepts for identifying nuclear spin isomers and for describing their quantum dynamics will be discussed. Especially the symmetrization postulate and the molecular symmetry group will be introduced and illustrated for some examples of molecules. These concepts will be extended to the case of identifying nuclear spin isomers in the presence of an external field. In the second part it is shown for nitromethane that magnetic fields are able to induce unidirectional rotations in opposite directions for different nuclear spin isomers of molecules containing methyl groups if the dipolar interaction is included. Additionally, it is demonstrated that different nuclear spin isomers of a chemical compound may show different alignment after the interaction with a moderate intense laser pulse. As shown for the rigid symmetric top propadien and the rigid asymmetric tops ethene and analogues, distinct pairs of nuclear spin isomers show at certain points in time a complementary behavior: while one isomer is showing alignment the partner isomer is showing anti-alignment. Moreover, it is illustrated that not every nuclear spin isomer can be aligned equally efficient. The alignment of non-rigid molecules is considered as well. As an example for a molecule with feasible torsion in the electronic ground state, the alignment of diboron tetrafluoride is investigated. It becomes apparent that not only rotational but also the torsional dynamics of the molecules is nuclear spin selective; different nuclear spin isomers have at distinct points in time a complementary molecular structure. As an application of nuclear spin selective quantum dynamics, the possibility is explored how two laser pulses can be used for exciting directed motions differently for different nuclear spin isomers. Likewise, the separation of isotopomers is discussed. The thesis closes with a discussion of the models used here and an outlook on how the obtained results may be used to separate nuclear spin isomers.