Neuer Blick auf molekulare Prozesse

Einem Forschungsteam um Prof. Dr. Frank Stienkemeier und Dr. Lukas Bruder vom Physikalischen Institut der Universität Freiburg ist es erstmals gelungen, die 2D-Spektroskopie auf isolierte Molekülsysteme anzuwenden und damit Wechselwirkungsprozesse auf molekularer Ebene präziser nachzuvollziehen. Seine Ergebnisse hat das Team in der Fachzeitschrift „Nature Communications“ veröffentlicht.

Hinter allen Vorgängen in der Natur stehen Prozesse auf atomarer und molekularer Ebene. Diese laufen häufig innerhalb kürzester Zeit ab, nicht selten sind sie schneller als eine billionstel Sekunde und basieren auf der Interaktion einer Vielzahl von Faktoren. Dies erschwert es bisher, die genauen mikroskopischen Mechanismen wie zum Beispiel die Energieumwandlung in der Photovoltaik oder der Photosynthese zu entschlüsseln.

In diesem Zusammenhang hat sich die so genannte kohärente zweidimensionale Spektroskopie etabliert, bei der ultrakurze Laserpulse auf die Materie geschossen werden. Mit dieser Untersuchungsmethode können die Forschenden nachvollziehen, welche Prozesse in welcher zeitlichen Abhängigkeit stattfinden, nachdem die Materie das Licht absorbiert hat. Die zweidimensionale Spektroskopie liefert dabei einen deutlich größeren Informationsgehalt als andere Methoden, kombiniert mit einer hohen Zeitauflösung im Bereich von Femtosekunden – eine Femtosekunde ist der millionste Teil einer milliardstel Sekunde. Aus technischen Gründen war diese Methode allerdings bisher auf die Untersuchung von kondensierten Molekülkomplexen in flüssigen und festen Stoffen beschränkt. „Bei früheren Experimenten waren die Proben sehr komplex, was es äußerst schwierig macht, einzelne quantenmechanische Effekte zu isolieren und präzise zu untersuchen. Unser Ansatz überwindet diese Hürde“, erklärt Bruder, der die Experimente geleitet hat.

Zur Vorbereitung der Experimente haben die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler superfluide Heliumtröpfchen, die keine Reibung besitzen, im Ultrahochvakuum erzeugt. Die Tröpfchen haben eine Größe von nur wenigen Nanometern und dienen als Substrat, in dem die Forschenden die eigentlichen molekularen Strukturen im Baukastenprinzip synthetisieren, also durch die Verbindung verschiedener molekularer Bausteine erzeugen. Dabei untersuchen sie diese Strukturen gleichzeitig mit der 2D-Spektroskopie. „In den Experimenten haben wir verschiedene spezialisierte Techniken zusammengeführt, wodurch sich die Messempfindlichkeit der 2D-Spektroskopie drastisch verbesserte. Nur so war es uns möglich, isolierte Moleküle zu untersuchen“, erklärt Bruder.

In einer ersten Studie haben die Freiburger Wissenschaftler extrem kalte Moleküle des chemischen Elements Rubidium in einem ungewöhnlichen Quantenzustand erzeugt, in dem die Atome des Moleküls untereinander nur schwach gebunden sind, und haben deren lichtinduzierte Reaktionen unter Einfluss der Heliumumgebung analysiert. „Unser Ansatz eröffnet eine Vielzahl von Anwendungen, gerade auf dem Gebiet der Photovoltaik oder Optoelektronik, und wird schließlich zu einem besseren Verständnis fundamentaler Prozesse beitragen“ sagt Stienkemeier.

Das Forschungsprojekt zur 2D-Spektroskopie wurde im Rahmen der internationalen Graduiertenschule „CoCo“, die von der Deutschen Forschungsgemeinschaft eingerichtet wurde, sowie über das Projekt „COCONIS“ vom Europäischen Forschungsrat (ERC) gefördert.

Originalpublikation:
L. Bruder, U. Bangert, M. Binz, D. Uhl, R. Vexiau, N. Bouloufa-Maafa, O. Dulieu, and F. Stienkemeier: Coherent multidimensional spectroscopy of dilute gas-phase nanosystems. Nature Communications 9, 4823 (2018). DOI: 10.1038/s41467-018-07292-w