Forschung & Entwicklung

Tiefe Einblicke in ultraschnelle lichtinduzierte Prozesse

Eine Kombination von Ultrakurzzeitspektroskopie und Quantensimulationen ermöglicht eine bessere Beschreibung des Energieflusses in Molekülen im Bereich stark koppelnder Zustände.

Die Arbeitsgruppe Femtosecond Dynamics am Institut für Experimentalphysik (IEP) der Technischen Universität Graz hat sich auf Licht-Materie-Wechselwirkungen spezialisiert. „Ein exaktes Verständnis jener Prozesse, die durch Fotoanregung in Molekülen ausgelöst werden, ist beispielsweise Voraussetzung für die Entwicklung nachhaltiger Technologien, die eine auf Sonnenenergie basierende Energieversorgung ermöglichen“, sagt der Leiter der Arbeitsgruppe Professor Markus Koch.

Eine Methode für solche moleküldynamischen Untersuchungen sind Anregungs-Abfrage-Experimente mithilfe der Femtosekunden-Fotoelektronenspektroskopie: Dabei versetzt ein erster ultrakurzer Laserpuls das molekulare System in einen gewünschten angeregten Zustand. Ein zweiter – zeitlich verzögerter – Puls fragt anschließend den aktuellen Anregungszustand ab, indem das Molekül ionisiert wird. Die Energie der so erzeugten Fotoelektronen lassen Rückschlüsse auf den Energiefluss im Molekül zu.

Eine genaue Beschreibung von lichtinduzierten Prozessen scheiterte bei einigen Molekülen bisher an den zu geringen Energieabständen der angeregten Zustände, zwischen denen der Energiefluss stattfindet. Laserpulse im Bereich von Femtosekunden haben keine genau definierte Wellenlänge, sondern ein breites Spektrum, wodurch eng benachbarte Molekülzustände nicht selektiv angeregt werden können, was eine genaue Ermittlung der Energieübertragung verhindert. Kurze Pulse sind jedoch Voraussetzung um die extrem schnellen Prozesse überhaupt beobachten zu können.

In Zusammenarbeit mit Forschern des Instituts für Theoretische Chemie der Universität Wien unter Leitung von Professor Leticia González haben die Grazer Experimentalphysiker diese Hürde nun überwunden: Durch die Kombination von Experimenten mit ultrakurzen Laserpulsen und theoretischen Simulationen von lichtinduzierten Prozessen konnte der Energiefluss in an einer Schlüsselposition zwischen drei eng zusammenliegenden Zuständen nun erstmals beobachtet werden. „Für diese Simulationen waren neue Entwicklungen an unserem lokalen Softwarepaket Sharc notwendig, ohne die die korrekte Beschreibung der Acetondynamik nicht möglich gewesen wäre“, betont González.

Beide Methoden für sich sind weit verbreitet, doch während die Energie-Zeitunschärferelation in der Femtosekundenspektroskopie präzise Ergebnisse verhindert, geben die Echtzeitsimulationen tiefere Einblicke in die Moleküldynamik, die jedoch wiederum die experimentellen Ergebnisse benötigen, um verifiziert zu werden. Die Kombination dieser beiden Techniken liefert nun einen tieferen Einblick in Acetondynamiken und ist ein weiterer Meilenstein in der Erforschung von Licht-Materie-Wechselwirkungen.

von mn

Originalveröffentlichung:

[P. Heim, S. Mai, B. Thaler, S. Cesnik, D. Avagliano, D. Bella-Velidou, W. E. Ernst, L. González, M. Koch, Revealing Ultrafast Population Transfer between Nearly Degenerate Electronic States, J. Phys. Chem. Lett. 11 (2020), DOI: 10.1021/acs.jpclett.9b03462]

www.tugraz.at

www.univie.ac.at

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