Aspirine in de vorm van kleine kristallieten geeft nieuw inzicht in delicate bewegingen van elektronen en atoomkernen. In moleculaire vibratie gebracht door sterke ultrakorte ver-infrarood (terahertz) pulsen, de kernen oscilleren veel sneller dan voor zwakke excitatie. Ze keren geleidelijk terug naar hun intrinsieke oscillatiefrequentie, parallel aan het picoseconde verval van elektronische bewegingen. Een analyse van de terahertz-golven die door de bewegende deeltjes worden uitgestraald door diepgaande theorie onthult het sterk gekoppelde karakter van elektronen- en nucleaire dynamica die kenmerkend zijn voor een grote klasse van moleculaire materialen.

Op basis van zijn fysiologische activiteit, aspirine heeft wijdverbreide farmaceutische toepassing gevonden in verschillende medische gebieden. Kijkend naar een individueel aspirinemolecuul vanuit een natuurkundig perspectief, men kan twee soorten bewegingen onderscheiden:(i) moleculaire trillingen, d.w.z., oscillerende bewegingen van de atoomkernen in een breed frequentiebereik, onder hen, bijv. de gehinderde rotatie van de methylgroep (film 1) met een frequentie van 6 terahertz (THz) (1 THz =1, 000, 000, 000, 000 oscillatiecycli per seconde) en (ii) oscillerende bewegingen van elektronen in het molecuul rond 1000 THz (film 2), zoals geïnduceerd, bijv. door ultraviolet licht. Terwijl de verschillende bewegingen slechts zwak gekoppeld zijn in een enkel aspirinemolecuul, ze ontwikkelen een zeer sterke elektrische interactie in een dichte moleculaire verpakking zoals in de aspirinetabletten van de apotheek. Als resultaat, het karakter van bepaalde trillingen, de zogenaamde zachte modi, verandert en hun oscillatiefrequentie wordt aanzienlijk verminderd (film 3). Dit complexe koppelingsschema en de resulterende moleculaire dynamica zijn belangrijk voor hoe aspirine en andere moleculen reageren op een externe stimulus. Tot dusver, dit probleem is onopgelost gebleven.

In het huidige nummer van Fysieke beoordelingsbrieven , onderzoekers van het Max Born Instituut in Berlijn en de Universiteit van Luxemburg combineren eersteklas experimentele en theoretische methoden om de basiseigenschappen van zachte modi te ontrafelen. In de experimenten, een reeks van twee fasevergrendelde THz-pulsen interageert met een 700 μm dikke tablet polykristallijne aspirine. Het elektrische veld dat door de bewegende atomen wordt uitgestraald, dient als een sonde om de oscillaties in de zachte modus in realtime in kaart te brengen. Tweedimensionale scans waarin de tijdsvertraging tussen de twee THz-pulsen wordt gevarieerd, vertonen een sterke niet-lineariteit van de soft-mode respons in aspirinekristallen. Deze niet-lineariteit wordt gedomineerd door een uitgesproken tijdelijke verschuiving van de zachte modus naar hogere frequenties (Fig. 1). De respons vertoont een niet onmiddellijk karakter met vervaltijden van picoseconden die voortkomen uit de gegenereerde elektrische polarisatie van de kristallieten. Tijdens het polarisatieverval, de soft-mode frequentie keert geleidelijk terug naar de waarde die deze had vóór de excitatie.

De theoretische analyse laat zien dat sterke elektrische polarisaties in het ensemble van aspirinemoleculen de zachte modus een hybride karakter geven, het combineren van nucleaire en elektronische vrijheidsgraden via dipool-dipoolkoppeling. In de niet-opgewonden aspirinekristallieten, deze correlatie tussen elektronen en kernen bepaalt de frequentie van de zachte modus. Sterke THz-excitatie veroorzaakt een opsplitsing van de correlaties, resulterend in een voorbijgaande blauwverschuiving van de zachte modi en, via het relatief langzame verval (decoherentie) van de polarisatie, een niet onmiddellijke reactie. Het hier ontdekte scenario is relevant voor een grote klasse van moleculaire materialen, in het bijzonder voor die met toepassingen in ferro-elektriciteit.