Simuleringseksperiment tillader dybere indsigt i ultrahurtige lysinducerede processer

Forskere fra Graz University of Technology og University of Vienna har bedre beskrevet energistrømmen mellem stærkt interagerende molekylære tilstande. Siden 1990'erne har femtokemi har forsket i ultrahurtige processer på molekylært niveau. I de sidste par år, forskergruppen Femtosecond Dynamics ved TU Graz's Institute of Experimental Physics har været i stand til at opnå en række succeser inden for lys-stof-interaktion.

"En præcis forståelse af de processer, der udløses af fotoekscitation i molekyler, er, for eksempel, en forudsætning for udvikling af bæredygtige teknologier, der muliggør en energiforsyning baseret på solenergi, "siger Markus Koch, lederen af ​​arbejdsgruppen.

Som et eksempel, han citerer fotokatalyse, som hjælper med at omdanne sollys til kemisk energi med fordele med hensyn til langtidsopbevaring og energitæthed sammenlignet med generering af elektrisk energi via fotovoltaik.

En metode til sådanne molekylære dynamiske undersøgelser gør brug af såkaldte pumpesondemålinger, der anvender en ultrakort laserpuls til at excitere ("pumpe") et molekylært system til en ønsket tilstand. Efter en justerbar forsinkelsestid, en anden ("sonde") laser forhører befolkningen i den ophidsede tilstand ved at ionisere molekylet.

Energien fra de udsendte fotoelektroner måles og ved at variere pumpesondenes forsinkelsestid, konklusioner kan drages om energistrømmen i molekylet.

Heisenbergs princip om energitid-usikkerhed forhindrer nøjagtige resultater

En nøjagtig beskrivelse af lysinducerede processer på deres realtidsskala har hidtil mislykkedes for nogle polyatomiske molekyler, der kan tage forskellige henfalds- eller fragmenteringsveje efter excitation, afhængigt af valget mellem energitilstande med tæt afstand.

Som et resultat af Heisenbergs princip om energi-tid-usikkerhed, laserpulser med kun femtosekund (10-15 sekunder) tidsvarighed kan ikke selektivt vække nærliggende molekylære tilstande. Imidlertid, korte pulser er en forudsætning for observation af ekstremt hurtige processer.

Ny tilgang kombinerer teori og eksperiment

I samarbejde med forskere ved Institut for Teoretisk Kemi ved Fakultet for Kemi ved Universitetet i Wien under ledelse af professor Leticia González, de eksperimentelle fysikere i Graz har nu overvundet denne forhindring.

Ved at kombinere eksperimenter med ultrakorte laserpulser og teoretiske simuleringer af lysinducerede processer, energistrømmen i acetone - et molekyle, der allerede er godt undersøgt - kunne nu observeres for første gang ved et centralt energivindue mellem tre nært beslægtede tilstande.

Selv for Wien -gruppen, en drivkraft inden for den teoretiske beskrivelse af molekyler efter let excitation, det undersøgte system udgjorde en udfordring. "Til disse simuleringer nye udviklinger i vores lokale softwarepakke SHARC var nødvendige, uden hvilken den korrekte beskrivelse af acetondynamikken ikke ville have været mulig, "understreger González.

Synergieffekter giver ny indsigt

Begge metoder i sig selv er meget udbredt, men "mens forholdet mellem energi og tid-sløring i femtosekundspektroskopi forhindrer præcise resultater, real-time simuleringer giver dybere indsigt i molekylær dynamik, som igen kræver, at forsøgsresultaterne verificeres, "forklarer Koch.

Kombinationen af ​​disse to teknikker giver nu forskere en dybere indsigt i acetones dynamik og er en yderligere milepæl i studiet af lys-stof-interaktioner. Resultaterne blev offentliggjort i The Journal of Physical Chemistry Letters .