I sin forskning, Markus Koch, Docent vid Institute of Experimental Physics vid Graz University of Technology (TU Graz), koncentrerar sig på processer i molekyler och kluster som sker på tidsskalor av picosekunder (10-12 sekunder) och femtosekunder (10-15 sekunder).

Nu, Koch och hans team har uppnått ett genombrott i forskningen om helt nya molekylära system. Med hjälp av femtosekundspektroskopi, som gör att ultrasnabba processer kan mätas på ett tidsupplöst sätt, Graz-forskarna kunde exakt beskriva processerna i en cirka fem nanometer stor superflödesheliumdroppe efter fotoexcitation av en atom inuti.

Denna milstolpe i grundforskning har inverkan på den experimentella undersökningen av atomer och molekyler. Markus Koch förklarar det banbrytande tillvägagångssättet:"Vårt institut, under ledning av Wolfgang Ernst, har en lång tradition i produktion och undersökning av nya system och kluster i en nanometerstor kvantvätska. Vi kombinerar nu denna expertis med femtosekundspektroskopi. Detta gör att vi kan observera och mäta processer, som utlöses av fotoexcitation i realtid och för att beskriva deras dynamik. Vi är den första forskargruppen som har observerat detta. "Resultaten av forskningen har just publicerats i Naturkommunikation .

En teknik rik på superlativ

För att undersöka denna grundläggande process som äger rum på en ultrakort tidsskala på bara en biljonedel av en sekund, teamet som leds av Markus Koch tillämpar femtosekundspektroskopi. Femtosekund-pump-sondmetoden ger ögonblicksbilder av atomrörelser. För experimentet, en enda indiumatom införs i en liten heliumdroppe.

Indiumatomen utsätts för pumpexcitation med hjälp av en kort puls och överför därefter energi till det omgivande heliumet, som börjar svänga kollektivt. En tidsfördröjd andra ljusblixt undersöker sedan systemet för att observera dynamiken.

Bernhard Thaler, en Ph.D. student vid Institute of Experimental Physics som är väsentligt involverad i den banbrytande forskningen, förklarar vad som händer:"När vi fotoexciterar atomen inuti heliumdroppen, dess elektronskal expanderar och den omslutande bubblan ökar inom en pikosekund efter stimulering. Vi observerar vidare att indiumatomen matas ut från droppen efter cirka 50 till 60 pikosekunder. Vi kunde få denna mekanistiska insikt för första gången med femtosekundsexperimentet. "

En process som kännetecknas av superlativer:ultrasnabba rörelser på femtosekunders tidsskalor inuti nanometerstora heliumdroppar (vilket är mindre än en tusendel av hårets diameter), vid en ultralåg temperatur på 0,4 Kelvin över absolut noll. Teamet kunde illustrera denna process mycket tydligt med hjälp av simuleringsprogram.

Från proof of concept till tillämpning i komplexa molekyler

Med denna forskningssuccé, Markus Koch och hans team lyckades på ett imponerande sätt bevisa att den ultrasnabba, elektronisk och nukleär dynamik hos partiklar inuti superfluid heliumdroppar kan observeras och simuleras. Efter denna forskningsframgång, Markus Koch ser redan in i framtiden. "I dag, vi experimenterar fortfarande med enstaka atomer, säger Koch, "men efter detta bevis på konceptet går vi i gigantiska steg mot tillämpning av helium -nanodroppar för att undersöka dynamik i tidigare okända eller bräckliga molekylsystem av teknisk eller biologisk relevans."