In zijn onderzoek, Markus Koch, Universitair hoofddocent aan het Instituut voor Experimentele Fysica van de Technische Universiteit van Graz (TU Graz), concentreert zich op processen in moleculen en clusters die plaatsvinden op tijdschalen van picoseconden (10-12 seconden) en femtoseconden (10-15 seconden).

Nutsvoorzieningen, Koch en zijn team hebben een doorbraak bereikt in het onderzoek naar volledig nieuwe moleculaire systemen. Door middel van femtoseconde spectroscopie, waarmee ultrasnelle processen op een tijdsopgeloste manier kunnen worden gemeten, de Graz-onderzoekers waren in staat om de processen precies te beschrijven in een superfluïde heliumdruppel van ongeveer vijf nanometer groot na foto-excitatie van een atoom erin.

Deze mijlpaal in fundamenteel onderzoek heeft invloed op het experimentele onderzoek van atomen en moleculen. Markus Koch licht de baanbrekende aanpak toe:"Ons instituut, onder leiding van Wolfgang Ernst, heeft een lange traditie in de productie en het onderzoek van nieuwe systemen en clusters in een kwantumvloeistof ter grootte van een nanometer. Deze expertise combineren we nu met femtoseconde spectroscopie. Hierdoor kunnen we processen observeren en meten, die worden geactiveerd door foto-excitatie in realtime en om hun dynamiek te beschrijven. Wij zijn de eerste onderzoeksgroep die dit heeft geconstateerd." De resultaten van het onderzoek zijn zojuist gepubliceerd in Natuurcommunicatie .

Een techniek rijk aan superlatieven

Om dit fundamentele proces, dat plaatsvindt op een ultrakorte tijdschaal van slechts een biljoenste van een seconde, te onderzoeken, het team onder leiding van Markus Koch past femtoseconde spectroscopie toe. De femtoseconde pomp-sonde methode biedt snapshots van atomaire bewegingen. Voor het experiment, een enkel indiumatoom wordt geïntroduceerd in een kleine heliumdruppel.

Het indiumatoom wordt door middel van een korte puls aan pompexcitatie onderworpen en draagt ​​vervolgens energie over aan het omringende helium, die collectief begint te oscilleren. Een vertraagde tweede lichtflits tast vervolgens het systeem af om de dynamiek te observeren.

Bernhard Thaler, een doctoraat student aan het Institute of Experimental Physics die substantieel betrokken is bij het baanbrekende onderzoek, legt uit wat er gebeurt:"Als we het atoom in de heliumdruppel foto-exciteren, zijn elektronenschil zet uit en de omhullende bel neemt binnen een picoseconde na stimulatie toe. We zien verder dat het indiumatoom na ongeveer 50 tot 60 picoseconden uit de druppel wordt uitgestoten. We hebben dit mechanische inzicht voor het eerst kunnen verkrijgen met het femtoseconde-experiment."

Een proces dat wordt gekenmerkt door superlatieven:ultrasnelle bewegingen op femtoseconde tijdschalen in heliumdruppeltjes ter grootte van een nanometer (die minder dan een duizendste van de diameter van een haar zijn), bij een ultralage temperatuur van 0,4 Kelvin boven het absolute nulpunt. Het team kon dit proces heel duidelijk illustreren met behulp van simulatiesoftware.

Van proof of concept tot toepassing in complexe moleculen

Met dit onderzoekssucces, Markus Koch en zijn team wisten op indrukwekkende wijze te bewijzen dat de ultrasnelle, elektronische en nucleaire dynamica van deeltjes in superfluïde heliumdruppeltjes kan worden waargenomen en gesimuleerd. Na dit onderzoekssucces, Markus Koch kijkt al in de toekomst. "Vandaag, we experimenteren nog steeds met losse atomen, " zegt Koch, "maar na deze proof of concept gaan we in grote stappen richting de toepassing van helium-nanodruppeltjes om de dynamiek in voorheen onbekende of fragiele moleculaire systemen van technologische of biologische relevantie te onderzoeken."