Een team van onderzoekers uit Freiburg onder leiding van prof.dr. Frank Stienkemeier en dr. Lukas Bruder is erin geslaagd een nieuwe meetmethode te ontwikkelen om ultrasnelle processen in materie te onderzoeken. Dit zijn processen op atomair en moleculair niveau die plaatsvinden binnen een miljardste van een seconde (10-12 sec). De nieuwe methode, die verschillende spectroscopietechnieken combineert, maakt mogelijk, onder andere, nieuwe inzichten in de energiestructuur in materie en de kansverdeling van elektronen. Fundamentele moleculaire processen kunnen nu nauwkeuriger worden begrepen, volgens de onderzoekers. De resultaten van het onderzoek zijn gepubliceerd in het wetenschappelijke tijdschrift optiek en zullen naar verwachting een verscheidenheid aan verdere ontwikkelingen op gerelateerde wetenschappelijke gebieden bevorderen.

Onderzoek naar fundamentele eigenschappen van materie

Het team van Freiburg werkt al enkele jaren aan het uitbreiden van ultrasnelle, samenhangend, multidimensionale spectroscopie in nieuwe richtingen. Simpel gezegd, spectroscopie omvat het bestuderen van de absorptie van licht om belangrijke eigenschappen van materie te onderzoeken. Deze omvatten de genoemde ultrasnelle processen, evenals kwantumcoherentieverschijnselen en interacties tussen atomen en andere nanoscopische deeltjes. "Dit zijn de fundamentele eigenschappen van materie die de processen in de natuur op nanoscopisch niveau aansturen, en we willen deze eigenschappen beter begrijpen door middel van onze experimenten, ", meldt Stienkemeier.

Een algemeen probleem in samenhangende, multidimensionale spectroscopie is de complexiteit van de meetgegevens, wat een duidelijke interpretatie van de experimentele resultaten vaak moeilijk of zelfs onmogelijk maakt. De situatie verbetert aanzienlijk wanneer het experiment wordt gecombineerd met het gebruik van, bijvoorbeeld, een massaspectrometer. "Deze benadering geeft ons de aanvullende en zeer nuttige informatie over de chemische samenstelling van de stof die wordt onderzocht - een groot voordeel bij de studie van ultrasnelle chemische reacties, ' legt Bruder uit.

Tal van mogelijkheden

vergelijkbaar, zijn de Freiburgse onderzoekers er nu in geslaagd coherente, multidimensionale spectroscopie met foto-elektronenspectroscopie. Bij deze werkwijze de stof wordt geïoniseerd en de energie van vrijgekomen elektronen wordt gemeten. Deze procedure geeft informatie over de energiestructuur en ruimtelijke waarschijnlijkheidsverdeling van elektronen (orbitalen) in materie. Wanneer foto-elektronenspectroscopie wordt gecombineerd met röntgenlichtbronnen, nauwkeurige metingen met atomaire selectie zijn zelfs mogelijk, wat betekent dat de energieverdeling in een stof kan worden bestudeerd met een extreem hoge resolutie tot op atomair niveau.

"Onze aanpak opent een scala aan spannende nieuwe ontwikkelingen, Stienkemeier legt uit. "Dit varieert van het uitbreiden van onze methode voor gelijktijdige energie- en hoekopgeloste elektronenmetingen, tot experimenten met röntgenstralen om atoomspecifieke informatie te verkrijgen." Een ander voordeel van de benadering van Freiburg, de gevoeligheid van het coherente, multidimensionale spectroscopie-experimenten zijn met ordes van grootte verbeterd. Dat is, signalen die voorheen een factor 200 kleiner waren dan de ruis in de meting kunnen nu worden gedetecteerd. "De verhoogde gevoeligheid stelt ons in staat om zeer schone monsters te bestuderen in een ultrahoogvacuümomgeving van waaruit we fundamentele moleculaire processen nauwkeuriger kunnen begrijpen, ' voegt Bruder toe.