Onderzoekers van de Technische Universiteit van Graz en de Universiteit van Wenen hebben de energiestroom tussen sterk op elkaar inwerkende moleculaire toestanden beter beschreven. Sinds de jaren 1990, femtochemie heeft onderzoek gedaan naar ultrasnelle processen op moleculair niveau. In de afgelopen jaren, de onderzoeksgroep Femtosecond Dynamics van het Institute of Experimental Physics van de TU Graz heeft een aantal successen kunnen boeken op het gebied van licht-materie interactie.

"Een nauwkeurig begrip van de processen die worden veroorzaakt door foto-excitatie in moleculen is, bijvoorbeeld, een voorwaarde voor de ontwikkeling van duurzame technologieën die een energievoorziening op basis van zonne-energie mogelijk maken, " zegt Markus Koch, het hoofd van de werkgroep.

Als voorbeeld, hij citeert fotokatalyse, die helpt om zonlicht om te zetten in chemische energie met voordelen op het gebied van langdurige opslag en energiedichtheid in vergelijking met de opwekking van elektrische energie via fotovoltaïsche energie.

Een methode voor dergelijk moleculair dynamisch onderzoek maakt gebruik van zogenaamde pomp-sondemetingen waarbij een ultrakorte laserpuls wordt toegepast om een ​​moleculair systeem in een gewenste toestand te exciteren ("pompen"). Na een instelbare vertragingstijd, een tweede ("sonde") laser ondervraagt ​​de populatie van de aangeslagen toestand door het molecuul te ioniseren.

De energie van de uitgezonden foto-elektronen wordt gemeten en door de vertragingstijd van de pompsonde te variëren, conclusies kunnen worden getrokken over de energiestroom in het molecuul.

Het energie-tijd-onzekerheidsprincipe van Heisenberg voorkomt exacte resultaten

Een exacte beschrijving van door licht geïnduceerde processen op hun real-time schaal is tot nu toe mislukt voor sommige polyatomaire moleculen die na excitatie verschillende verval- of fragmentatieroutes kunnen volgen, afhankelijk van de keuze tussen dicht bij elkaar gelegen energietoestanden.

Als resultaat van het energie-tijdonzekerheidsprincipe van Heisenberg, laserpulsen met een tijdsduur van slechts femtoseconden (10-15 seconden) kunnen niet selectief nauw aangrenzende moleculaire toestanden opwekken. Echter, korte pulsen zijn een voorwaarde voor het waarnemen van extreem snelle processen.

Nieuwe aanpak combineert theorie en experiment

In samenwerking met onderzoekers van het Instituut voor Theoretische Chemie aan de Faculteit der Scheikunde van de Universiteit van Wenen onder leiding van Prof. Leticia González, de experimentele natuurkundigen in Graz hebben deze hindernis nu overwonnen.

Door experimenten te combineren met ultrakorte laserpulsen en theoretische simulaties van door licht geïnduceerde processen, de energiestroom in aceton - een molecuul dat al goed is bestudeerd - kon nu voor het eerst worden waargenomen in een belangrijk energievenster tussen drie nauw verwante toestanden.

Zelfs voor de Weense groep, een drijvende kracht op het gebied van de theoretische beschrijving van moleculen na lichtexcitatie, het onderzochte systeem vormde een uitdaging. "Voor deze simulaties nieuwe ontwikkelingen in ons lokale softwarepakket SHARC waren nodig, zonder welke de juiste beschrijving van de acetondynamiek niet mogelijk zou zijn geweest, " benadrukt González.

Synergie-effecten leveren nieuwe inzichten op

Beide methoden op zich worden veel gebruikt, maar "terwijl de energie-tijd-onscherpte relatie in femtoseconde spectroscopie precieze resultaten verhindert, realtime simulaties bieden diepere inzichten in moleculaire dynamica, die op hun beurt vereisen dat de experimentele resultaten worden geverifieerd, " legt Koch uit.

De combinatie van deze twee technieken geeft onderzoekers nu een dieper inzicht in de dynamiek van aceton en is een nieuwe mijlpaal in de studie van licht-materie-interacties. De resultaten zijn gepubliceerd in The Journal of Physical Chemistry Letters .