Forschende aus Deutschland, Japan und Indien unter Leitung von Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern von DESY und den Universitäten Kiel und Hamburg haben es geschafft, Moleküle auf einer flachen Oberfläche kollektiv in Rotation zu versetzen – mithilfe ultrakurzer Lichtpulse von DESYs Freie-Elektronen-Laser FLASH und einer Laserquelle für Hohe-Harmonische-Strahlung. Das berichten sie in der Fachzeitschrift Nature Communications. Allerdings ist das Ziel der Forschung nicht, die Moleküle tanzen zu lassen: Sie könnte Anwendungen in Quanten- und Energiematerialien der nächsten Generation finden, etwa für Elektronik, Datenspeicherung und Energieumwandlung.

Moleküle, die auf einer Materialoberfläche sitzen, tun gewöhnlich genau das – sie sitzen dort, ohne sich zu verändern. Fügt man ihnen jedoch Energie zu – zum Beispiel in Form von Licht –, können sie sich bewegen. Ließe sich diese Bewegung kontrollieren, könnte dies einen enormen Einfluss auf unterschiedlichste Nanomaterialien haben, die für vielfältige Anwendungen von Gesundheit bis Datenspeicherung erforscht werden. DESY-Wissenschaftler Markus Scholz, Leiter der nun in Nature Communications veröffentlichten Studie, weist darauf hin, dass dies besonders in Hybridsystemen interessant ist, in denen organische Moleküle auf atomar dünnen, zweidimensionalen Quantenmaterialien platziert werden. Beispiele für solche Hybridsysteme sind molekulare Elektronik oder energiegetriebene funktionale Oberflächen.

Was passiert, wenn diese Systeme durch Licht angeregt werden? Das Licht bewirkt, dass die Moleküle einen Teil ihrer elektrischen Ladung an das Quantenmaterial abgeben, was wiederum die Moleküle in Bewegung versetzen kann. Das Team nutzte eine Technik namens zeitaufgelöste Impulsmikroskopie am Freie-Elektronen-Laser FLASH, um diese Prozesse in Echtzeit zu verfolgen. Dabei beobachteten sie mehrere Aspekte gleichzeitig: den Ladungstransfer, die Positionen der Atome und die Drehungen, die die Moleküle auf Femtosekunden-Zeitskalen vollführten. „Dieser kombinierte Blick erlaubte es uns, die elektronische Anregung direkt mit der molekularen Bewegung zu verknüpfen", erklärt Scholz. 

Um diese ultraschnellen Prozesse zu beobachten, nutzte das Team einen Ansatz namens „multiplexen elektronischen Film". Am Freie-Elektronen-Laser FLASH bei DESY und an einer laserbasierten Quelle für Hohe-Harmonische-Strahlung feuerten die Forschenden ultrakurze Blitze aus extrem ultraviolettem und weichem Röntgenlicht auf die Probe und schlugen dabei Elektronen heraus, deren Energie und Bewegungsrichtung von einer speziellen Kamera – einem Impulsmikroskop – erfasst wurden. Durch die Kombination von vier verschiedenen Auslesearten der emittierten Elektronen – die Molekülorbitale, die elektronische Bandstruktur des Substrats, die chemischen Verschiebungen an einzelnen Atomlagen und die Atompositionen über deren Beugungsmuster – alles innerhalb eines einzigen Experiments, konnten die Forschenden gleichzeitig den Ladungsfluss, die Verschiebung der Energieniveaus und die physische Rotation der Moleküle verfolgen, Bild für Bild, auf einer Zeitskala von wenigen hundert Femtosekunden.

Ihr Ziel war es herauszufinden, wie sich Licht nutzen lässt, um alle Moleküle auf einer Oberfläche aktiv zu einer gemeinsamen Bewegung zu veranlassen. Konkret untersuchten sie, wie der durch das Licht ausgelöste Transfer elektrischer Ladung zwischen Oberfläche und Molekülen die Energieverhältnisse verändern kann, sodass viele Moleküle gemeinsam und in eine bevorzugte Richtung rotieren.

Sie fanden heraus, dass ein Lichtstrahl auf das System aus Oberfläche und Molekülen einen schnellen Ladungstransfer vom Quantenmaterial zu den Molekülen auslöst und dabei das elektrostatische Potenzial an der Grenzfläche für einen sehr kurzen Moment verändert. Diese Veränderung bringt einen großen Teil der Molekülschicht dazu, innerhalb weniger hundert Femtosekunden synchron zu rotieren. „Durch die Kombination mehrerer ultraschneller Lichtemissionstechniken können wir die elektronische Dynamik direkt mit der molekularen und atomaren Bewegung korrelieren", erklärt Kai Rossnagel, Leitender Wissenschaftler bei DESY und Professor an der Universität Kiel. „Bemerkenswerterweise bildet die kollektive Rotation vorübergehend eine homochirale molekulare Anordnung, obwohl die einzelnen Moleküle von Natur aus achiral sind und anfänglich in mehreren spiegelsymmetrischen Strukturdomänen organisiert waren", ergänzt Scholz.

Langfristig werden diese Ergebnisse für Bereiche wie molekulare Schalter, chirale Materialien und energiegetriebene funktionale Oberflächen relevant sein – tragende Säulen der aktuellen Nanowissenschaft. Molekulare Schalter sind Moleküle, die sich durch einen äußeren Reiz wie das Licht in dieser Studie zwischen zwei oder mehr stabilen Zuständen umschalten lassen. Solche Schalter könnten auch die Lösung für elektronische Bauteile sein, die auf der Ebene einzelner Moleküle funktionieren – und diese damit zu kleinen, schnellen und energieeffizienten Prozessoren und Speicherbausteinen machen. Chirale Materialien – Materialien, die eine „Händigkeit" besitzen, wie es bei vielen biologischen Substanzen wie Aminosäuren, Zuckern oder DNA der Fall ist – spielen auch bei der Arzneimittelherstellung eine zentrale Rolle, und eine präzise Kontrolle ihrer Chiralität könnte viele Prozesse wesentlich genauer und effizienter machen.

Bevor diese Anwendungen Wirklichkeit werden können, müssen künftige Studien jedoch zeigen, wie sich eine solche lichtinduzierte molekulare Bewegung gezielt steuern, stabilisieren oder schalten lässt – erst dann können diese grundlegenden Erkenntnisse in funktionale Materialien und Bauelemente übertragen werden.

 

Originalveröffentlichung

Baumgärtner, K., Nozaki, M., Reuner, M. et al. Femtosecond concerted rotation of molecules on a 2D material interface. Nat Commun 17, 2110 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-69801-6