Forskare från Graz tekniska universitet och universitetet i Wien har bättre beskrivit energiflödet mellan starkt interagerande molekylära tillstånd. Sedan 1990-talet, femtokemi har forskat på ultrasnabba processer på molekylär nivå. De senaste åren, forskargruppen Femtosecond Dynamics vid TU Graz Institute of Experimental Physics har kunnat nå ett antal framgångar inom området ljus-materia-interaktion.

"En exakt förståelse av de processer som utlöses av fotoexcitation i molekyler är, till exempel, en förutsättning för utveckling av hållbar teknik som möjliggör en energiförsörjning baserad på solenergi, säger Markus Koch, arbetsgruppens chef.

Som ett exempel, han citerar fotokatalys, som hjälper till att omvandla solljus till kemisk energi med fördelar vad gäller långtidslagring och energitäthet jämfört med generering av elektrisk energi via solceller.

En metod för sådana molekylära dynamiska undersökningar använder sig av så kallade pump-probe-mätningar som applicerar en ultrakort laserpuls för att excitera ("pumpa") ett molekylärt system till ett önskat tillstånd. Efter en justerbar fördröjningstid, en andra ("sond") laser förhör befolkningen i det exciterade tillståndet genom att jonisera molekylen.

Energin hos de emitterade fotoelektronerna mäts och genom att variera pumpsondens fördröjningstid, slutsatser kan dras om energiflödet i molekylen.

Heisenbergs energi-tidsosäkerhetsprincip förhindrar exakta resultat

En exakt beskrivning av ljusinducerade processer på deras realtidsskala har hittills misslyckats för vissa polyatomära molekyler som kan ta olika sönderfalls- eller fragmenteringsvägar efter excitation, beroende på valet mellan närliggande energitillstånd.

Som ett resultat av Heisenbergs energi-tidsosäkerhetsprincip, laserpulser av endast femtosekunders (10-15 sekunder) varaktighet kan inte selektivt excitera nära angränsande molekylära tillstånd. Dock, korta pulser är en förutsättning för observation av extremt snabba processer.

Ny metod kombinerar teori och experiment

I samarbete med forskare från Institutet för teoretisk kemi vid kemifakulteten vid universitetet i Wien under ledning av prof. Leticia González, experimentfysikerna i Graz har nu övervunnit detta hinder.

Genom att kombinera experiment med ultrakorta laserpulser och teoretiska simuleringar av ljusinducerade processer, energiflödet i aceton – en molekyl som redan har studerats väl – kunde nu observeras för första gången vid ett nyckelenergifönster mellan tre närbesläktade tillstånd.

Även för Wiengruppen, en drivkraft inom området för den teoretiska beskrivningen av molekyler efter ljusexcitation, det undersökta systemet var en utmaning. "För dessa simuleringar, nya utvecklingar i vårt lokala mjukvarupaket SHARC var nödvändiga, utan vilken den korrekta beskrivningen av acetondynamik inte skulle ha varit möjlig, " betonar González.

Synergieffekter ger nya insikter

Båda metoderna i sig är flitigt använda, men "medan förhållandet energi-tid-oskärpa i femtosekundspektroskopi förhindrar exakta resultat, realtidssimuleringar ger djupare insikter i molekylär dynamik, vilket i sin tur kräver att experimentresultaten verifieras, " förklarar Koch.

Kombinationen av dessa två tekniker ger nu forskare en djupare insikt i acetondynamik och är ytterligare en milstolpe i studiet av ljus-materia-interaktioner. Resultaten publicerades i The Journal of Physical Chemistry Letters .