Veel chemische processen verlopen zo snel dat ze slechts globaal worden begrepen. Om deze processen te verduidelijken, een team van de Technische Universiteit van München (TUM) heeft nu een methodologie ontwikkeld met een resolutie van triljoensten van een seconde. De nieuwe technologie kan het begrip van processen zoals fotosynthese vergroten en bijdragen aan de ontwikkeling van snellere computerchips.

Een belangrijke tussenstap in veel chemische processen is ionisatie. Een typisch voorbeeld hiervan is fotosynthese. De reacties duren slechts een paar femtoseconden (quadrillionste van een seconde), of zelfs een paar honderd attoseconden (kwintiljoenste van een seconde). Omdat ze zo extreem snel rennen, alleen de begin- en eindproducten zijn bekend, maar niet de reactiepaden of de tussenproducten.

Om dergelijke ultrasnelle processen te observeren, de wetenschap heeft een meettechnologie nodig die sneller is dan het waargenomen proces zelf. Zogenaamde "pomp-sonde spectroscopie" maakt dit mogelijk. Hier, het monster wordt geëxciteerd met behulp van een initiële laserpuls, die de reactie in gang zet. Een seconde, tijdvertraagde puls vraagt ​​de momentane toestand van het proces. Meerdere herhalingen van de reactie met verschillende vertragingen resulteren in individuele stop-motionbeelden, die vervolgens kan worden gecompileerd tot een filmfragment.

Nutsvoorzieningen, een team van wetenschappers onder leiding van Birgitta Bernhardt van de TU München heeft twee pomp-sonde-spectroscopietechnieken gecombineerd met behulp van het inerte gas krypton. Hierdoor konden ze de ultrasnelle ionisatieprocessen visualiseren met een precisie die voorheen onmogelijk was.

"Voorafgaand aan ons experiment, men kon observeren welk deel van het opwindende licht in de loop van de tijd door het monster werd geabsorbeerd of meten wat voor soort en hoeveel ionen er tijdens het proces werden gecreëerd, " legt Bernhardt uit. "We hebben nu de twee technieken gecombineerd, waarmee we de precieze stappen kunnen observeren waarmee de ionisatie plaatsvindt, hoe lang deze tussenproducten bestaan ​​en wat de opwindende laserpuls precies veroorzaakt in het monster."

Ultrasnelle processen onder controle

De combinatie van de twee meettechnieken stelt de wetenschappers in staat om de ultrasnelle ionisatieprocessen vast te leggen en, dankzij de variatie in de intensiteit van de tweede indringende laserpuls, ze kunnen ook de ionisatiedynamiek controleren en beïnvloeden.

"Dit soort controle is een zeer krachtig instrument, " legt Bernhardt uit. "Als we snelle ionisatieprocessen nauwkeurig kunnen begrijpen en zelfs kunnen beïnvloeden, we kunnen veel leren over door licht aangestuurde processen zoals fotosynthese, vooral over de eerste momenten waarop deze complexe machinerie in gang wordt gezet en die tot nu toe niet werd begrepen."

De door Bernhardt en haar collega's ontwikkelde technologie is ook interessant voor de ontwikkeling van nieuwe, snellere computerchips waarin de ionisatie van silicium een ​​belangrijke rol speelt. Als de ionisatietoestanden van silicium niet alleen op zo'n korte tijdschaal kunnen worden bemonsterd, maar kan ook worden ingesteld - zoals de eerste experimenten met krypton suggereren - dat wetenschappers dit op een dag misschien kunnen gebruiken om nieuwe en nog snellere computertechnologieën te ontwikkelen.