Markus Koch, chef för forskargruppen Femtosecond Dynamics vid Institutet för experimentell fysik vid TU Graz, och hans team utvecklar nya metoder för tidsupplöst femtosekundlaserspektroskopi för att undersöka ultrasnabba processer i molekylära system. Under 2018 demonstrerade gruppen för första gången att fotoinducerade processer kan observeras inuti en heliumnanodroppe, en droppe av nanometerstorlek av superfluid helium som fungerar som ett kvantlösningsmedel. För sina undersökningar, forskarna placerade en enda indiumatom inuti droppen och analyserade systemets reaktion med pumpsondprincipen. Atomen exciterades med en ultrakort laserpuls, utlöser omorganiseringen av heliummiljön inom femtosekunder (10 ^-15 sekunder). En tidsfördröjd andra laserpuls undersökte denna utveckling och gav information om systemets beteende.

Framgångsrikt nästa steg

Med samma teknik, Koch och hans kollegor Miriam Meyer, Bernhard Thaler och Pascal Heim, visualiserade singelrörelsen, isolerade molekyler inuti en heliumdroppe för första gången. Forskarna bildade en indiumdimermolekyl inuti en heliumdroppe genom att ladda den successivt med två indiumatomer. De utlöste sedan en vibration i molekylen genom fotoexcitation och observerade kärnornas rörelse i realtid med samma pumpsondteknik.

Forskarna anser att två aspekter av experimentet är särskilt viktiga:För det första, det visar att sådana experiment kan observera ultrasnabba intramolekylära processer – dvs. processer som sker inom en exciterad molekyl.

Helium har liten inverkan på inbäddade molekyler

Andra, gruppen upptäckte att inverkan av superfluid helium på molekylära vibrationer är betydligt svagare än med konventionella lösningsmedel, såsom vatten eller metanol. Intramolekylära processer påverkas vanligtvis av interaktioner med omgivningen och i konventionella lösningsmedel är denna interaktion så stark att intramolekylära processer inte kan observeras, som Bernhard Thaler förklarar:"Kvantvätskan helium, som har en temperatur på endast 0,4 K (obs:minus 272,75 grader Celsius), är verkligen speciell, eftersom störningen på den inbäddade molekylen är mycket låg. Dessutom, ömtåliga molekyler, som ofta går sönder i andra tekniker, är stabiliserade på grund av kylmekanismen och kan nu undersökas."

Markus Koch vill utöka metoden till komplexa molekyler

"Vi ser en stor potential i heliumnanodroppar eftersom de erbjuder underbara möjligheter att skapa molekylära system, sa Koch, förklara varför han och hans team utvecklar denna metod för femtosekundstudier. I nästa steg, Femtosecond Dynamics-gruppen siktar på mer komplexa system. "Strukturen av indiummolekyler, som vi använde som modellsystem, är väldigt enkelt men i framtiden vill vi titta på tekniskt relevanta molekyler, som är mer komplexa. Jag ser detta som ett lovande tillvägagångssätt för molekylär teknik, där framtida material utvecklas genom att manipulera kvantbeteendet hos deras molekylära beståndsdelar."