Forschung & Entwicklung

Neue Methoden der 2-D-Spektroskopie

Mit Massenspektrometrie anstatt optischer Detektion lassen sich 2-D-Spektren nicht nur für das Ausgangsmolekül, sondern zeitgleich auch für die Fotoprodukte gewinnen.

In der optischen Spektroskopie wird prinzipiell immer nur das Verhalten einer einzelnen Anregung und deren Folgen untersucht. Nun haben Physiker und Chemiker der Julius-Maximilians-Universität Würzburg (JMU) zwei neuartige Prinzipien der optischen Spektroskopie vorgestellt. Beide Ansätze zeigen neue Entwicklungen der kohärenten zweidimensionalen (2-D) Spektroskopie. Bei der konventionellen 2-D-Spektroskopie regt man ein System bei einer bestimmten Frequenz an und beobachtet, was bei einer anderen passiert.

„Anstatt mit einer Anregung zu beginnen und ihre Dynamik zu analysieren, setzen wir hier zwei Anregungen in das gleiche System und beobachten, wie sie zusammenwirken“ sagt Professor Tobias Brixner, Inhaber des Lehrstuhls für Physikalische Chemie I an der JMU. So habe man direkten Zugang zu Energietransportphänomenen, da bei der neuen Methode nur dann Signale entstehen, wenn sich zwei zunächst getrennte Anregungen bewegen und dann aufeinander treffen.

Die Idee der ‚Exciton-Exciton-Interaction-Two-Dimensional-(EEI2D)-Spektroscopy‘ veranschaulichten die Forscher an einem J-Aggregat auf Perylenbisimidbasis. J-Aggregate gehören zu den wichtigsten funktionellen supramolekularen Strukturen. Anwendbar ist diese Methode auf zahlreiche physikalische, chemische, biologische oder materialwissenschaftlich relevante Systeme, um beispielsweise dynamische Eigenschaften wie Energietransport von natürlichen Lichtsammelsystemen und synthetischen Farbstoffaggregaten zu entschlüsseln.

In ihrer weiteren Forschung haben die Physiker um Tobias Brixner kohärente 2-D-Spektroskopie mit Molekularstrahlen kombiniert. So sei es erstmals möglich, Ionisation mit dem 2-D-Schema zu untersuchen, erklärt Brixner. Dafür verwendeten sie Massenspektrometrie anstatt optischer Detektion und erhielten 2-D-Spektren nicht nur für das Ausgangsmolekül, sondern zeitgleich auch für die Fotoprodukte.

„Unsere größte Herausforderung war die Tatsache, dass die Teilchendichten in Molekularstrahlen sehr niedrig sind“, erklärt Brixner, „sodass konventionelle Versuche, kohärent emittiertes Licht zu detektieren, vergeblich sind.“ Stattdessen haben die Forscher das durch die Sequenz der Anregungsimpulse erzeugte Ion beobachtet und damit zwei bislang völlig separate Forschungsgebiete, optische 2-D-Spektroskopie und Massenspektrometrie, zusammengeführt.

Die Methode wendeten die Physiker exemplarisch an, um die Ionisierungspfade von 3d-Rydberg-Zuständen in Stickstoffdioxid zu identifizieren. In der Zukunft soll diese Entwicklung eingesetzt werden, um den Einfluss der Umgebung auf die kohärente Dynamik in größeren Molekülen zu studieren.

Beide neuen Ansätze wurden im Rahmen der Forschungsvorhaben ‚Solar Technologies Go Hybrid‘, der DFG-Forschergruppe 1809 und des ERC-Projekts ‚Multiscope‘ entwickelt.

Originalveröffentlichungen:

[J. Dostál et al., Direct observation of exciton–exciton interactions, Nat. Commun. 9, (2018), DOI: 10.1038/s41467-018-04884-4]

[S. Roeding et al., Coherent two-dimensional electronic mass spectrometry, Nat. Commun. 9, (2018), DOI: 10.1038/s41467-018-04927-w]

von mn

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