Forskere observerer ultrahurtige processer af enkelte molekyler for første gang

Markus Koch, leder af forskningsgruppen Femtosecond Dynamics ved Institut for Eksperimentel Fysik ved TU Graz, og hans team udvikler nye metoder til tidsopløst femtosekund laserspektroskopi for at undersøge ultrahurtige processer i molekylære systemer. I 2018 demonstrerede gruppen for første gang, at foto-inducerede processer kan observeres inde i en helium nanodråbe, en nanometerstor dråbe af superflydende helium, der tjener som et kvanteopløsningsmiddel. Til deres undersøgelser, forskerne placerede et enkelt indiumatom inde i dråben og analyserede systemets reaktion med pumpe-probe-princippet. Atomet blev exciteret med en ultrakort laserpuls, udløser omorganiseringen af ​​heliummiljøet inden for femtosekunder (10 ^-15 sekunder). En tidsforsinket anden laserimpuls undersøgte denne udvikling og gav information om systemets opførsel.

Succesfuld næste skridt

Ved at bruge samme teknik, Koch og hans kolleger Miriam Meyer, Bernhard Thaler og Pascal Heim, visualiseret bevægelsen af ​​single, isolerede molekyler inde i en heliumdråbe for første gang. Forskerne dannede et indium-dimer-molekyle inde i en heliumdråbe ved at lade det successivt med to indium-atomer. De udløste derefter en vibration i molekylet ved fotoexcitation og observerede bevægelsen af ​​kernerne i realtid med den samme pumpe-probe-teknik.

Forskerne betragter to aspekter af eksperimentet som særligt vigtige:For det første, det viser, at sådanne eksperimenter er i stand til at observere ultrahurtige intramolekylære processer - dvs. processer, der forekommer i et exciteret molekyle.

Helium har ringe indflydelse på indlejrede molekyler

Sekund, gruppen opdagede, at indflydelsen af ​​superfluid helium på molekylære vibrationer er betydeligt svagere end med konventionelle opløsningsmidler, såsom vand eller methanol. Intramolekylære processer er normalt påvirket af interaktioner med miljøet, og i konventionelle opløsningsmidler er denne interaktion så stærk, at intramolekylære processer ikke kan observeres, som Bernhard Thaler forklarer:"Kvantevæsken helium, som har en temperatur på kun 0,4 K (bemærk:minus 272,75 grader Celsius), er virkelig speciel, da forstyrrelsen på det indlejrede molekyle er meget lav. Derudover skrøbelige molekyler, som ofte går i stykker i andre teknikker, er stabiliseret på grund af kølemekanismen og kan nu undersøges."

Markus Koch ønsker at udvide metoden til komplekse molekyler

"Vi ser et stort potentiale i helium nanodråber, fordi de tilbyder vidunderlige muligheder for at skabe molekylære systemer, sagde Koch, forklarer, hvorfor han og hans team udvikler denne metode til femtosekundstudier. I det næste trin, Femtosecond Dynamics-gruppen sigter mod mere komplekse systemer. "Strukturen af ​​indiummolekyler, som vi brugte som et modelsystem, er meget enkel, men i fremtiden vil vi se på teknologisk relevante molekyler, som er mere komplekse. Jeg betragter dette som en lovende tilgang til molekylær teknik, hvor fremtidige materialer udvikles ved at manipulere kvanteadfærden af ​​deres molekylære bestanddele."