En forskargrupp ledd av prof. Dr. Frank Stienkemeier och Dr. Lukas Bruder från University of Freiburgs Institute of Physics har tillämpat 2-D-spektroskopi på isolerade molekylära system för första gången, och därmed spåra de interaktiva processerna på molekylär nivå mer exakt. Teamet har publicerat sina resultat i vetenskapstidskriften Naturkommunikation .

Processer på atomär och molekylär nivå sker ofta på mycket korta tidsskalor, snabbare än en miljarddels sekund, och baseras på samspelet mellan många faktorer. Tills nu, detta har gjort det svårt att dekryptera de exakta mikroskopiska mekanismerna som omvandlingen av energi i solceller eller fotosyntes.

Koherent tvådimensionell spektroskopi involverar ultrakorta laserpulser som skjuts mot ett material. Denna metod har gjort det möjligt för forskare att följa dynamiken i sådana processer. Tvådimensionell spektroskopi ger en mycket större mängd information än andra metoder, kombinerat med en hög tidsupplösning inom intervallet femtosekunder, miljondelsdelen av en miljarddels sekund. Dock, av tekniska skäl, denna metod hade tidigare varit begränsad till att studera flytande eller fast material i bulk. "I tidigare experiment, proverna var mycket komplexa, vilket gjorde det extremt svårt att isolera individuella kvantmekaniska effekter och studera dem exakt. Vårt tillvägagångssätt övervinner detta hinder, " förklarar Bruder, som ledde experimentet.

Som förberedelse för experimentet, forskarna producerade superfluid heliumdroppar, som inte har friktion, i ett ultrahögt vakuum. Dropparna är bara några nanometer stora och fungerar som ett substrat där forskarna syntetiserar de faktiska molekylära strukturerna med hjälp av en modulär princip – med andra ord, genom att kombinera molekylära komponenter en efter en. Dessa strukturer studeras sedan med hjälp av 2D-spektroskopi. "I experimenten, vi kombinerade olika specifika teknologier som drastiskt förbättrade mätkänsligheten för 2D-spektroskopin. Genom att göra det här, det var möjligt för oss att studera isolerade molekyler, " förklarar Bruder.

I en första studie, forskarna från Freiburg producerade extremt kalla molekyler av det kemiska elementet Rubidium i ett ovanligt kvanttillstånd, varvid molekylens atomer endast är svagt bundna, och analyserade deras ljusinducerade reaktioner under påverkan av heliummiljön. "Vårt tillvägagångssätt öppnar upp en rad applikationer, särskilt inom området för fotovoltaik eller optoelektronik, och kommer så småningom att bidra till en bättre förståelse av grundläggande processer, säger Stienkemeier.