Ett team av forskare från Freiburg ledda av prof. Dr Frank Stienkemeier och Dr. Lukas Bruder har lyckats utveckla en ny mätmetod för att undersöka ultrasnabba processer i materia. Det är processer på atomär och molekylär nivå som sker inom en miljarddels sekund (10-12 sek). Den nya metoden, som kombinerar olika spektroskopitekniker, möjliggör, bland annat, nya insikter om energistrukturen i materien och sannolikhetsfördelningen av elektroner. Grundläggande molekylära processer kan nu förstås mer exakt, enligt forskarna. Resultaten av forskningen har publicerats i den vetenskapliga tidskriften Optica och förväntas främja en rad olika vidareutvecklingar inom relaterade vetenskapliga områden.

Undersöker materiens grundläggande egenskaper

Freiburg-teamet har arbetat i flera år med att utöka ultrasnabb, sammanhängande, flerdimensionell spektroskopi i nya riktningar. Enkelt uttryckt, spektroskopi går ut på att studera absorptionen av ljus för att undersöka viktiga egenskaper hos materia. Dessa inkluderar de nämnda ultrasnabba processerna, såväl som kvantkoherensfenomen och interaktioner mellan atomer och andra nanoskopiska partiklar. "Detta är materiens grundläggande egenskaper som driver processerna i naturen på nanoskopisk nivå, och vi vill bättre förstå dessa egenskaper genom våra experiment, ", rapporterar Stienkemeier.

Ett allmänt problem i sammanhängande, multidimensionell spektroskopi är komplexiteten hos mätdata, vilket ofta gör en tydlig tolkning av experimentresultaten svår eller till och med omöjlig. Situationen förbättras avsevärt när experimentet kombineras med användning av, till exempel, en masspektrometer. "Det här tillvägagångssättet ger oss ytterligare och mycket användbar information om den kemiska sammansättningen av ämnet som undersöks - en stor fördel i studiet av ultrasnabba kemiska reaktioner, " förklarar Bruder.

En mängd möjligheter

Jämförbart, Freiburg-forskarna har nu lyckats kombinera sammanhängande, flerdimensionell spektroskopi med fotoelektronspektroskopi. I detta förfarande, ämnet joniseras och energin hos frigjorda elektroner mäts. Denna procedur ger information om energistrukturen och den rumsliga sannolikhetsfördelningen för elektroner (orbitaler) i materia. När fotoelektronspektroskopi kombineras med röntgenljuskällor, exakta mätningar med atomurval är till och med möjliga, vilket innebär att energifördelningen i ett ämne kan studeras med extremt hög upplösning upp till atomnivå.

"Vårt tillvägagångssätt öppnar upp för en mängd spännande nya utvecklingar, Stienkemeier förklarar. "Detta sträcker sig från att utöka vår metod för samtidiga energi- och vinkelupplösta elektronmätningar, till experiment med röntgenstrålar för att erhålla atomspecifik information." Som en annan fördel med Freiburgs tillvägagångssätt, känsligheten hos det sammanhängande, multidimensionella spektroskopiexperiment har förbättrats i storleksordningar. Det är, signaler som tidigare var en faktor 200 mindre än bruset i mätningen kan nu detekteras. "Den ökade känsligheten gör att vi kan studera mycket rena prover i en miljö med ultrahögt vakuum från vilken vi kan förstå grundläggande molekylära processer mer exakt, " tillägger Bruder.