Een onderzoeksteam onder leiding van Prof. Dr. Frank Stienkemeier en Dr. Lukas Bruder van het Institute of Physics van de Universiteit van Freiburg heeft voor het eerst 2-D spectroscopie toegepast op geïsoleerde moleculaire systemen. en zo de interactieve processen op moleculair niveau nauwkeuriger te traceren. Het team heeft zijn resultaten gepubliceerd in het wetenschappelijke tijdschrift Natuurcommunicatie .

Processen op atomair en moleculair niveau vinden vaak plaats op zeer korte tijdschalen, sneller dan een miljardste van een seconde, en zijn gebaseerd op het samenspel van vele factoren. Tot nu, dit heeft het moeilijk gemaakt om de precieze microscopische mechanismen te ontcijferen, zoals de omzetting van energie in fotovoltaïsche energie of fotosynthese.

Coherente tweedimensionale spectroscopie omvat ultrakorte laserpulsen die op een materiaal worden geschoten. Deze methode heeft onderzoekers in staat gesteld om de dynamiek van dergelijke processen te volgen. Tweedimensionale spectroscopie levert veel meer informatie op dan andere methoden, gecombineerd met een hoge tijdresolutie in het bereik van femtoseconden, het miljoenste deel van een miljardste van een seconde. Echter, om technische redenen, deze methode was voorheen beperkt tot het bestuderen van vloeibare of vaste stoffen in bulk. "Bij eerdere experimenten de monsters waren zeer complex, waardoor het extreem moeilijk was om individuele kwantummechanische effecten te isoleren en nauwkeurig te bestuderen. Onze aanpak overwint deze hindernis, " legt Bruder uit, die het experiment leidde.

Ter voorbereiding op het experiment, de wetenschappers produceerden supervloeibare heliumdruppels, die geen wrijving hebben, in een ultrahoog vacuüm. De druppeltjes zijn slechts enkele nanometers groot en dienen als substraat waarin de onderzoekers de eigenlijke moleculaire structuren synthetiseren volgens een modulair principe - met andere woorden, door moleculaire componenten één voor één te combineren. Deze structuren worden vervolgens bestudeerd door middel van 2-D spectroscopie. "Bij de experimenten we hebben verschillende specifieke technologieën gecombineerd die de meetgevoeligheid van de 2D-spectroscopie drastisch hebben verbeterd. Door dit te doen, was het voor ons mogelijk om geïsoleerde moleculen te bestuderen, ’, legt Bruder uit.

In een eerste studie, de wetenschappers van Freiburg produceerden extreem koude moleculen van het chemische element Rubidium in een ongebruikelijke kwantumtoestand, waarbij de atomen van het molecuul slechts zwak gebonden zijn, en analyseerden hun door licht geïnduceerde reacties onder invloed van de heliumomgeving. "Onze aanpak opent een scala aan toepassingen, specifiek op het gebied van fotovoltaïsche of opto-elektronica, en zal uiteindelijk bijdragen aan een beter begrip van fundamentele processen, ', zegt Stienkemeier.