Markus Koch, hoofd van de onderzoeksgroep Femtosecond Dynamics aan het Institute of Experimental Physics aan de TU Graz, en zijn team ontwikkelen nieuwe methoden voor in de tijd opgeloste femtoseconde laserspectroscopie om ultrasnelle processen in moleculaire systemen te onderzoeken. In 2018 toonde de groep voor het eerst aan dat foto-geïnduceerde processen kunnen worden waargenomen in een helium nanodruppel, een druppel superfluïde helium ter grootte van een nanometer die dienst doet als kwantumoplosmiddel. Voor hun onderzoeken de onderzoekers plaatsten een enkel indiumatoom in de druppel en analyseerden de reactie van het systeem met het pomp-sonde-principe. Het atoom werd geëxciteerd met een ultrakorte laserpuls, het activeren van de herschikking van de heliumomgeving binnen femtoseconden (10 ^-15 seconden). Een vertraagde tweede laserpuls peilde deze ontwikkeling en gaf informatie over het gedrag van het systeem.

Succesvolle volgende stap

Met dezelfde techniek, Koch en zijn collega's Miriam Meyer, Bernhard Thaler en Pascal Heim, visualiseerde de beweging van single, geïsoleerde moleculen in een heliumdruppel voor de eerste keer. De onderzoekers vormden een indiumdimeermolecuul in een heliumdruppel door deze achtereenvolgens te laden met twee indiumatomen. Ze veroorzaakten vervolgens een trilling in het molecuul door foto-excitatie en observeerden de beweging van de kernen in realtime met dezelfde pomp-sondetechniek.

De onderzoekers vinden twee aspecten van het experiment bijzonder belangrijk:het toont aan dat dergelijke experimenten in staat zijn om ultrasnelle intramoleculaire processen te observeren, d.w.z. processen die plaatsvinden in een aangeslagen molecuul.

Helium heeft weinig invloed op ingebedde moleculen

Tweede, de groep ontdekte dat de invloed van supervloeibaar helium op moleculaire trillingen aanzienlijk zwakker is dan bij conventionele oplosmiddelen, zoals water of methanol. Intramoleculaire processen worden meestal beïnvloed door interacties met de omgeving en in conventionele oplosmiddelen is deze interactie zo sterk dat intramoleculaire processen niet kunnen worden waargenomen, zoals Bernhard Thaler uitlegt:"De kwantumvloeistof helium, die een temperatuur heeft van slechts 0,4 K (let op:min 272,75 graden Celsius), is echt speciaal, omdat de verstoring op het ingebedde molecuul erg laag is. Aanvullend, breekbare moleculen, die vaak uiteenvallen in andere technieken, zijn gestabiliseerd door het koelmechanisme en kunnen nu worden onderzocht."

Markus Koch wil de methode uitbreiden naar complexe moleculen

"We zien een groot potentieel in helium-nanodruppeltjes omdat ze geweldige mogelijkheden bieden voor het creëren van moleculaire systemen, " zei Koch, uitleggen waarom hij en zijn team deze methode ontwikkelen voor femtoseconde-onderzoeken. In de volgende stap, de Femtosecond Dynamics groep streeft naar meer complexe systemen. "De structuur van indiummoleculen, die we als modelsysteem gebruikten, is heel eenvoudig, maar in de toekomst willen we kijken naar technologisch relevante moleculen, die complexer zijn. Ik beschouw dit als een veelbelovende benadering van moleculaire engineering, waar toekomstige materialen worden ontwikkeld door het kwantumgedrag van hun moleculaire bestanddelen te manipuleren."