Reaktion af en kvantevæske til fotoekscitation af opløste partikler observeret for første gang

I sin forskning, Markus Koch, Lektor ved Institut for Eksperimentel Fysik ved Graz University of Technology (TU Graz), koncentrerer sig om processer i molekyler og klynger, der finder sted på tidsskalaer for picosekunder (10-12 sekunder) og femtosekunder (10-15 sekunder).

Nu, Koch og hans team har opnået et gennembrud i forskningen om helt nye molekylære systemer. Ved hjælp af femtosekundspektroskopi, som gør det muligt at måle ultrahurtige processer på en tidsopløst måde, Graz-forskerne var i stand til nøjagtigt at beskrive processerne i en cirka fem nanometer stor superfluid heliumdråbe efter fotoekscitation af et atom indeni.

Denne milepæl i grundforskning har indflydelse på den eksperimentelle undersøgelse af atomer og molekyler. Markus Koch forklarer den banebrydende tilgang:"Vores institut, ledet af Wolfgang Ernst, har en lang tradition inden for produktion og undersøgelse af nye systemer og klynger i en kvantevæske i nanometerstørrelse. Vi kombinerer nu denne ekspertise med femtosekundspektroskopi. Dette giver os mulighed for at observere og måle processer, som udløses af fotoekscitation i realtid og for at beskrive deres dynamik. Vi er den første forskningsgruppe, der har observeret dette. "Resultaterne af forskningen er netop blevet offentliggjort i Naturkommunikation .

En teknik rig på superlativer

For at undersøge denne grundlæggende proces, der finder sted på en ultrakort tidsskala på kun en billionion af et sekund, holdet ledet af Markus Koch anvender femtosekundspektroskopi. Femtosekund pumpesondemetoden giver øjebliksbilleder af atombevægelser. Til forsøget, et enkelt indiumatom indføres i en lille heliumdråbe.

Indiumatomet udsættes for pumpe -excitation ved hjælp af en kort puls og overfører efterfølgende energi til det omgivende helium, som begynder at svinge kollektivt. Et tidsforsinket andet lysglimt undersøger derefter systemet for at observere dynamikken.

Bernhard Thaler, en ph.d. studerende ved Institute of Experimental Physics, der er væsentligt involveret i den banebrydende forskning, forklarer, hvad der sker:"Når vi fotoexciterer atomet inde i heliumdråben, dets elektronskal udvider sig, og den indhyllende boble stiger inden for et picosekund efter stimulering. Vi observerer endvidere, at indiumatomet skubbes ud fra dråben efter ca. 50 til 60 picosekunder. Vi var i stand til at opnå denne mekanistiske indsigt for første gang med femtosekund -eksperimentet. "

En proces præget af superlativer:ultrahurtige bevægelser på femtosekunders tidsskala inde i nanometerstore heliumdråber (hvilket er mindre end en tusindedel af hårets diameter), ved en ultralav temperatur på 0,4 Kelvin over absolut nul. Teamet var i stand til at illustrere denne proces meget tydeligt ved hjælp af simuleringssoftware.

Fra proof of concept til anvendelse i komplekse molekyler

Med denne forskningssucces, Markus Koch og hans team formåede på imponerende vis at den ultrahurtige, elektronisk og nuklear dynamik af partikler inde i superflydende heliumdråber kan observeres og simuleres. Efter denne forskningssucces, Markus Koch kigger allerede ind i fremtiden. "I dag, vi eksperimenterer stadig med enkeltatomer, "siger Koch, "men efter dette bevis på konceptet bevæger vi os i gigantiske trin mod anvendelsen af ​​helium -nanodråber for at undersøge dynamik i tidligere ukendte eller skrøbelige molekylære systemer af teknologisk eller biologisk relevans."