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Neue Simulation-Experiment-Kombination erlaubt tiefere Einblicke in ultraschnelle lichtinduzierte Prozesse

© IEP – TU Graz

Das Grazer Femtosekunden-Experiment (oben) regt Acetonmoleküle mit einem ersten Laserpuls an und fragt dessen zeitliche Entwicklung mit einem zweiten Puls ab, um den Energiefluss im Molekül zu messen. Quantensimulationen aus Wien liefern die Elektronenverteilung der angeregten Zustände (unten) und deren zeitabhängigen Besetzungen, was genauere Information über den den Energiefluss liefert und Vergleiche mit dem Experiment ermöglicht.

14.02.2020: Forscher der TU Graz und der Uni Wien demonstrieren erstmals, wie durch Kombination von Ultrakurzzeit-Spektroskopie und Quantensimulationen der Energiefluss in Molekülen im Bereich stark koppelnder Zustände besser beschrieben werden kann.

Seit den 1990er-Jahren erforscht die Femtochemie ultraschnelle Prozesse auf molekularer Ebene. Auch die Arbeitsgruppe Femtosecond Dynamics am Institut für Experimentalphysik der TU Graz konnte dazu in den letzten Jahren mehrere Forschungserfolge verbuchen. Die Gruppe hat sich auf Licht-Materie-Wechselwirkungen spezialisiert. „Ein exaktes Verständnis jener Prozesse, die durch Photoanregung in Molekülen ausgelöst werden, ist beispielsweise Voraussetzung für die Entwicklung nachhaltiger Technologien, die eine auf Sonnenenergie basierende Energieversorgung ermöglichen“, so der Leiter der Arbeitsgruppe Markus Koch. Als Beispiel nennt er Photokatalyse, bei der Sonnenlicht in chemische Energie (zum Beispiel für Brennstoffzellen) umgewandelt wird, was gegenüber elektrischer Energie aus Photovoltaik Vorteile im Hinblick auf Langzeitspeicherung und Energiedichte bringt.
 
Eine Methode für solche moleküldynamischen Untersuchungen sind Anregungs-Abfrage-Experimente mit Hilfe der Femtosekunden-Photoelektronenspektroskopie: 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 Photoelektronen lassen Rückschlüsse auf den Energiefluss im Molekül zu.

Heisenbergsche Energie-Zeit-Unschärferelation verhindert exakte Ergebnisse

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 (10-15 Sekunden) 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.

Neuer Zugang verbindet Theorie und Experiment

In Zusammenarbeit mit Forschern des Instituts für Theoretische Chemie der Universität Wien unter Leitung von Prof. Leticia González haben die Grazer Experimentalphysiker diese Hürde nun überwunden: Durch die Kombination von Experimenten mit ultrakurzen Laserpulsen und theoretischen Simulationen von Licht-induzierten Prozessen konnte der Energiefluss in Aceton – ein schon gut erforschtes Molekül – an einer Schlüsselposition zwischen drei eng zusammenliegenden Zuständen nun erstmals beobachtet werden. Selbst für die Wiener Gruppe, eine treibende Kraft auf dem Gebiet der theoretischen Beschreibung von Molekülen nach Lichtanregung, stellte das untersuchte System eine Herausforderung dar. „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.

Synergieeffekte bringen neue Erkenntnisse

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

Originalveröffentlichung:
"Revealing Ultrafast Population Transfer between Nearly Degenerate Electronic States": Pascal Heim et al.; The Journal of Physical Chemistry Letters; 2020, 11, 1443−1449

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