Forskere anvender 2-D spektroskopi til isolerede molekylære systemer for første gang

Et forskerhold ledet af Prof. Dr. Frank Stienkemeier og Dr. Lukas Bruder fra University of Freiburg's Institute of Physics har anvendt 2-D spektroskopi på isolerede molekylære systemer for første gang, og dermed i at spore de interaktive processer på et molekylært niveau mere præcist. Holdet har offentliggjort sine resultater i det videnskabelige tidsskrift Naturkommunikation .

Processer på atom- og molekylært niveau finder ofte sted på meget korte tidsskalaer, hurtigere end en milliardtedel af et sekund, og er baseret på et samspil mellem mange faktorer. Indtil nu, dette har gjort det vanskeligt at dekryptere de præcise mikroskopiske mekanismer såsom omdannelse af energi i solceller eller fotosyntese.

Kohærent todimensionel spektroskopi involverer ultrakorte laserimpulser skudt mod et materiale. Denne metode har gjort det muligt for forskere at følge dynamikken i sådanne processer. Todimensionel spektroskopi giver en langt større mængde information end andre metoder, kombineret med en høj tidsopløsning inden for femtosekundersområdet, den milliontedel af en milliardtedel af et sekund. Imidlertid, af tekniske årsager, denne metode havde tidligere været begrænset til at studere bulk flydende eller fast materiale. "I tidligere eksperimenter, prøverne var meget komplekse, hvilket gjorde det ekstremt vanskeligt at isolere individuelle kvantemekaniske effekter og studere dem præcist. Vores tilgang overvinder denne forhindring, " forklarer Bruder, hvem der stod i spidsen for eksperimentet.

Som forberedelse til eksperimentet, forskerne producerede superflydende heliumdråber, som ikke har friktion, i et ultrahøjt vakuum. Dråberne er kun nogle få nanometer store og fungerer som et substrat, hvor forskerne syntetiserer de faktiske molekylære strukturer ved hjælp af et modulært princip – med andre ord, ved at kombinere molekylære komponenter én efter én. Disse strukturer studeres derefter ved hjælp af 2-D spektroskopi. "I eksperimenterne, vi kombinerede forskellige specifikke teknologier, der drastisk forbedrede målefølsomheden af ​​2-D spektroskopi. Ved at gøre dette, var det muligt for os at studere isolerede molekyler, " forklarer Bruder.

I en indledende undersøgelse, Freiburg-forskerne producerede ekstremt kolde molekyler af det kemiske element Rubidium i en usædvanlig kvantetilstand, hvorved molekylets atomer kun er svagt bundet, og analyserede deres lys-inducerede reaktioner under påvirkning af heliummiljøet. "Vores tilgang åbner op for en række applikationer, specifikt inden for fotovoltaik eller optoelektronik, og vil i sidste ende bidrage til en bedre forståelse af grundlæggende processer, siger Stienkemeier.