Moleküle bestehen aus Atomen, die von chemischen Bindungen zusammengehalten werden. In einer chemischen Reaktion kommen sich zwei Moleküle so nahe, dass Bindungen gebrochen werden und neue Bindungen entstehen. Die Zustände während der chemischen Umlagerung, nicht mehr Reaktanden und noch nicht Reaktionsprodukte, nennt man die Übergangszustände. Während dieses extrem kurzen, kritischen Zeitfensters wird der Ausgang der chemischen Reaktion festgelegt. Daher wäre es von grundlegender Bedeutung für unser Verständnis der Chemie, wenn die strukturellen Umlagerungen während des Übergangszustandes experimentell abgebildet werden könnten.

Bestrebungen, die strukturellen Umlagerungen während chemischer Reaktionen abzubilden, sind bislang wegen einer konzeptionellen experimentellen Schwierigkeit hinter den Erwartungen zurückgeblieben: dem Startzeit-Dilemma. Normalerweise sind chemische Reaktanden zufällig räumlich zueinander orientiert und in zufälligem Abstand platziert. Mit einem ultrakurzen Laserpuls hat man keine Kontrolle über den präzisen Zeitpunkt, zu dem eine chemische Reaktion stattfindet.

Das bewilligte Projekt c-TSD-p hat zum Ziel, dieses Dilemma zu lösen, indem es zwei Schlüsseltechnologien zusammenbringt. Erstens werden die Reaktanden zunächst in einer wohldefinierten Konfiguration nahe beieinander in Stellung gebracht. Solch ein Komplex erlaubt es, die chemische Reaktion zu einer wohldefinierten Zeit mit einem Femtosekunden-Laserpuls zu starten. Weiterhin kann mit der einstellbaren Wellenlänge des Laserpulses die Geschwindigkeit, mit der sich die beiden Reaktionspartner begegnen, kontrolliert werden. Zweitens wird nun, und zwar für variable zeitliche Verzögerung gegenüber dem ersten Laserpuls, die dreidimensionale Struktur des Übergangszustandes mittels Coulomb-Explosion abgebildet. Coulomb-Explosion ist ein Werkzeug aus dem Baukasten der Attosekundenforschung: Innerhalb eines sehr kurzen Zeitintervalls werden die Bindungselektronen mit einem zweiten Laserpuls entfernt, so dass sich die positiv geladenen atomaren Fragmente voneinander abstossen. Eine experimentelle Messung der koinzidenten Fragmentimpulse erlaubt dann eine Rekonstruktion der sich entwickelnden chemischen Struktur. 

Das Projekt c-TSD-p wird Laser-Spitzentechnologie benutzen, sowohl am MBI als auch an Freie-Elektronen-Lasern wie dem kürzlich in Hamburg fertiggestellten Europäischen XFEL, um damit fundamentale Schlüsselfragen zur Übergangszustandsdynamik zu beantworten. Ein solches Verständnis könnte helfen, chemische Reaktionsmechanismen in Anwendungen, wie etwa der synthetischen Chemie, zu optimieren. Im Rahmen des Projektes werden mehrere Stellen für Doktoranden und Postdocs geschaffen.

Jochen Mikosch ist Gruppenleiter und Projektkoordinator am Max-Born-Institut für nichtlineare Optik und Kurzzeitspektroskopie (MBI) im Forschungsverbund Berlin. Er hat sich einen Namen für Anwendungen der Attosekundenforschung auf Moleküle und chemische Dynamik gemacht. Nach dem Studium der Physik in Freiburg, Heidelberg und Cambridge (England) hat er 2008 seine Doktorarbeit bei Roland Wester in Freiburg verteidigt und war Postdoc bei Albert Stolow am Nationalen Forschungszentrum von Kanada (NRC) in Ottawa. Er ist seit 2013 am MBI beschäftigt.