Neue Simulation-Experiment-Kombination erlaubt tiefere Einblicke in ultraschnelle lichtinduzierte Prozesse

Seit den 1990er-Jahren erforscht die Femtochemie ultraschnelle Prozesse auf molekularer Ebene.

Auch die Arbeitsgruppe Femtosecond Dynamics am Institut für Experimentalphysik der TU Graz konnte dazu in den letzten Jahren mehrere Forschungserfolge verbuchen.

Die Gruppe hat sich auf Licht-Materie-Wechselwirkungen spezialisiert. „Ein exaktes Verständnis jener Prozesse, die durch Photoanregung in Molekülen ausgelöst werden, ist beispielsweise Voraussetzung für die Entwicklung nachhaltiger Technologien, die eine auf Sonnenenergie basierende Energieversorgung ermöglichen“, so der Leiter der Arbeitsgruppe Markus Koch.

Als Beispiel nennt er Photokatalyse, bei der Sonnenlicht in chemische Energie (zum Beispiel für Brennstoffzellen) umgewandelt wird, was gegenüber elektrischer Energie aus Photovoltaik Vorteile im Hinblick auf Langzeitspeicherung und Energiedichte bringt.

Eine Methode für solche moleküldynamischen Untersuchungen sind Anregungs-Abfrage-Experimente mit Hilfe der Femtosekunden-Photoelektronenspektroskopie: Dabei versetzt ein erster ultrakurzer Laserpuls das molekulare System in einen gewünschten angeregten Zustand.

Ein zweiter – zeitlich verzögerter – Puls fragt anschließend den aktuellen Anregungszustand ab, indem das Molekül ionisiert wird. Die Energie der so erzeugten Photoelektronen lassen Rückschlüsse auf den Energiefluss im Molekül zu.

Heisenbergsche Energie-Zeit-Unschärferelation verhindert exakte Ergebnisse

Eine genaue Beschreibung von lichtinduzierten Prozessen scheiterte bei einigen Molekülen bisher an den zu geringen Energieabständen der angeregten Zustände, zwischen denen der Energiefluss stattfindet.

Laserpulse im Bereich von Femtosekunden (10-15 Sekunden) haben keine genau definierte Wellenlänge sondern ein breites Spektrum, wodurch eng benachbarte Molekülzustände nicht selektiv angeregt werden können, was eine genaue Ermittlung der Energieübertragung verhindert.

Kurze Pulse sind jedoch Voraussetzung um die extrem schnellen Prozesse überhaupt beobachten zu können.

Neuer Zugang verbindet Theorie und Experiment

In Zusammenarbeit mit Forschenden des Instituts für Theoretische Chemie der Universität Wien unter Leitung von Prof. Leticia González haben die Grazer Experimentalphysiker diese Hürde nun überwunden:

Durch die Kombination von Experimenten mit ultrakurzen Laserpulsen und theoretischen Simulationen von Licht-induzierten Prozessen konnte der Energiefluss in Aceton – ein schon gut erforschtes Molekül – an einer Schlüsselposition zwischen drei eng zusammenliegenden Zuständen nun erstmals beobachtet werden.

Selbst für die Wiener Gruppe, eine treibende Kraft auf dem Gebiet der theoretischen Beschreibung von Molekülen nach Lichtanregung, stellte das untersuchte System eine Herausforderung dar.

„Für diese Simulationen waren neue Entwicklungen an unserem lokalen Softwarepaket SHARC (https://sharc-md.org/) notwendig, ohne die die korrekte Beschreibung der Acetondynamik nicht möglich gewesen wäre“, betont González.

Synergieeffekte bringen neue Erkenntnisse

Beide Methoden für sich sind weit verbreitet, doch „während die Energie-Zeitunschärferelation in der Femtosekunden-Spektroskopie präzise Ergebnisse verhindert, geben die Echtzeit-Simulationen tiefere Einblicke in die Moleküldynamik, die jedoch wiederum die experimentellen Ergebnisse benötigen, um verifiziert zu werden.“, erklärt Koch.

Die Kombination dieser beiden Techniken liefert den Forschenden nun einen tieferen Einblick in Acetondynamiken und ist ein weiterer Meilenstein in der Erforschung von Licht-Materie-Wechselwirkungen. Die Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift The Journal of Physical Chemistry Letters publiziert.

Dieses Forschungsprojekt ist im Field of Expertise „Advanced Materials Science“ verankert, einem von fünf strategischen Schwerpunktfeldern der TU Graz. Beteiligte Forschende sind Mitglieder von NAWI Graz Physics.

Link zur Originalpublikation: https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acs.jpclett.9b03462

Markus Koch
Assoc.Prof. Dipl.-Ing. Dr.techn.
TU Graz | Institut für Experimentalphysik
Petersgasse 16, 8010 Graz
Tel: +43 316 873 8161
markus.koch@tugraz.at

Leticia González
Univ.-Prof. Dr. Dr. h.c.
Universität Wien | Institut für Theoretische Chemie
Währinger Str. 17, A-1090 Wien
Tel: +43-1-4277-52750
leticia.gonzalez@univie.ac.at

Revealing Ultrafast Population Transfer between Nearly Degenerate Electronic States
Pascal Heim, Sebastian Mai, Bernhard Thaler, Stefan Cesnik, Davide Avagliano, Dimitra Bella-Velidou, Wolfgang E. Ernst, Leticia González*, and Markus Koch*
The Journal of Physical Chemistry Letters 2020, 11, 1443−1449
DOI: 10.1021/acs.jpclett.9b03462

https://www.tugraz.at/institute/iep/forschung/femtosecond-dynamics/ (Arbeitsgruppe Femtosecond Dynamics am Institut für Experimentalphysik der TU Graz)
https://theochem.univie.ac.at/ (Institut für Theoretische Chemie der Uni Wien)
https://sharc-md.org (Software-Paket SHARC)
https://www.tugraz.at/forschung/fields-of-expertise/advanced-materials-science/u… (FoE Advanced Materials Science)
https://www.nawigraz.at/ (NAWI Graz)