Endlich getrennt

Bei der neuen Methode werden Laserimpulse unterschiedlicher Leistung (grün) so kombiniert, dass man einfache Anregung (blau), doppelte Anregung (rot) und dreifache Anregung (gelb) beispielsweise in biologischen Lichtsammelkomplexen unterscheiden kann.
(c) Julian Lüttig / Universität Würzburg

Wissenschaftler der Universitäten Würzburg und Ottawa haben das jahrzehntealte Problem der Unterscheidung von einfachen und mehrfachen Lichtanregungen gelöst. In der Fachzeitschrift Nature stellen sie ihre neue Methode vor.

Der Bau des ersten Lasers im Jahr 1960 leitete kommerzielle Anwendungen mit Licht ein, die aus unserem Alltag nicht mehr wegzudenken sind. Gleichzeitig eröffnete diese Entwicklung das wissenschaftliche Feld der Laserspektroskopie – einer Technik, die für die Analyse von Materialien und die Erforschung grundlegender physikalischer Phänomene von zentraler Bedeutung ist.

Trotz aller Erfolge kämpfen Forschungsteams jedoch seit den 1970er Jahren mit dem Problem, dass ein Laser, der auf eine Probe strahlt, diese nicht nur einmal, sondern mehrmals pro Experiment anregen kann. In diesem Fall überlagern sich die Messergebnisse der einmaligen und der mehrfachen Anregung und lassen sich in der Regel nicht voneinander trennen, was das Verständnis des Materials erschwert.

Um Abhilfe zu schaffen, wird die Laserleistung in der Regel so weit reduziert, dass Mehrfachanregungen weniger wahrscheinlich sind als Einzelanregungen. Sie lassen sich jedoch nicht vollständig vermeiden und können daher zu einer fehlerhaften Interpretation der Daten führen. Selbst wenn die Mehrfachanregungen selbst Gegenstand der Untersuchung sind, ist es immer noch schwierig, zwischen zwei, drei, vier oder noch mehr Anregungen zu unterscheiden.

Ein komplexes Problem mit einer einfachen Lösung

Ein Team von Physikern und Physikochemikern der Julius-Maximilians-Universität Würzburg (JMU) und der University of Ottawa (Kanada) hat dieses jahrzehntealte Problem nun gelöst. In der aktuellen Ausgabe der Fachzeitschrift Nature stellt es seine Methode vor. Bei dem Experiment in der Gruppe des Würzburger Professors Tobias Brixner nutzten die Forscher die gängige Methode der „transienten Absorption“, um sehr schnelle Veränderungen in verschiedenen Materialien zu verfolgen, die in einem Millionstel einer Millionstel Sekunde auftreten.

Während die Standardmethode eine einzige Laserleistung verwendet, nutzten die Forscher mehrere verschiedene Leistungen und kombinierten die Daten nach einer neu abgeleiteten Formel. Auf diese Weise konnten sie die Effekte von einfacher bis sechsfacher Anregung systematisch trennen.

„Vor nicht allzu langer Zeit hätte ich nicht gedacht, dass eine solche Unterscheidung überhaupt möglich ist“, freut sich Brixner, „zumal mit einem so einfachen Verfahren, das jede spektroskopische Forschungsgruppe ohne großen Zusatzaufwand umsetzen und anwenden kann.“

Die Herleitung des „Rezepts“ war jedoch alles andere als einfach und erforderte eine tiefgreifende Analyse. Der Theoretiker und Kooperationspartner Professor Jacob Krich von der Universität Ottawa erklärt: „Die Wechselwirkung von Licht und Materie ist so reichhaltig, und wir haben gezeigt, dass sich darin eine wunderschöne Struktur verbirgt. Dass diese Methode für praktisch jede Probe, die man untersuchen möchte, funktioniert, hat uns alle wirklich überrascht.“

Anwendungen von der Photosynthese bis zur Materialwissenschaft

Die neue Methode hat ein breites Spektrum an Anwendungsmöglichkeiten. Der Erstautor Pavel Malý, der zum Zeitpunkt der Studie als Postdoktorand bei Brixner tätig war und jetzt an der Karls-Universität in Prag forscht, erklärt: „Die Separation von Signalen aus Einzel- und Mehrfachanregungen ist besonders nützlich bei großen Systemen mit dicht gepackten Lichtabsorbern, wie natürlichen photosynthetischen Komplexen oder organischen Materialien.“

Für die Zukunft planen die Autoren, die Methode zu erweitern und beispielsweise den Energietransport in neuartigen photovoltaischen Materialien zu erforschen.

Wissenschaftliche Ansprechpartner:

Prof. Dr. Tobias Brixner, Institut für Physikalische und Theoretische Chemie, Universität Würzburg, T: +49 931 31-86330, E-Mail: brixner@uni-wuerzburg.de

Originalpublikation:

P. Malý, J. Lüttig, P. A. Rose, A. Turkin, C. Lambert, J. J. Krich, and T. Brixner, Separating single- from multi-particle dynamics in nonlinear spectroscopy, Nature (2023), https://doi.org/10.1038/s41586-023-05846-7 oder https://rdcu.be/c8v0u

https://www.uni-wuerzburg.de/aktuelles/pressemitteilungen/single/news/endlich-getrennt/

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Gunnar Bartsch Presse- und Öffentlichkeitsarbeit
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