22.11.2018

2D-Spektroskopie isolierter Moleküle

Methode kann neue Details über Prozesse der Photovoltaik und der Photosynthese liefern.

Hinter allen Vorgängen in der Natur stehen Prozesse auf atomarer und mole­kularer Ebene. Diese laufen häufig innerhalb kürzester Zeit ab, nicht selten sind sie schneller als eine billionstel Sekunde und basieren auf der Inter­aktion einer Vielzahl von Faktoren. Dies erschwert es bisher, die genauen mikro­skopischen Mecha­nismen wie zum Beispiel die Energie­umwandlung in der Photo­voltaik oder der Photo­synthese zu entschlüsseln. Nun ist es einem Forschungs­team um Frank Stienke­meier und Lukas Bruder vom Physi­kalischen Institut der Univer­sität Freiburg erstmals gelungen, die 2D-Spektro­skopie auf isolierte Molekül­systeme anzuwenden und damit Wechsel­wirkungs­prozesse auf molekularer Ebene präziser nachzu­vollziehen.

Abb.: Die 2D-Spektroskopie bildet die lichtinduzierten Reaktionen der Rubidium-Moleküle in verschiedenen Farbspektren ab. (Bild: L. Bruder)

In diesem Zusammenhang hat sich die kohärente zwei­dimensionale Spektro­skopie etabliert, bei der ultra­kurze Laserpulse auf die Materie geschossen werden. Mit dieser Untersuchungs­methode können die Forscher nachvoll­ziehen, welche Prozesse in welcher zeitlichen Abhängig­keit stattfinden, nachdem die Materie das Licht absorbiert hat. Die zweidi­mensionale Spektro­skopie liefert dabei einen deutlich größeren Informations­gehalt als andere Methoden, kombiniert mit einer hohen Zeit­auflösung im Bereich von Femto­sekunden. Aus technischen Gründen war diese Methode allerdings bisher auf die Untersuchung von konden­sierten Molekül­komplexen in flüssigen und festen Stoffen beschränkt. „Bei früheren Experi­menten waren die Proben sehr komplex, was es äußerst schwierig macht, einzelne quanten­mechanische Effekte zu isolieren und präzise zu untersuchen. Unser Ansatz überwindet diese Hürde“, erklärt Bruder, der die Experi­mente geleitet hat.

Zur Vorbereitung der Experi­mente haben die Wissen­schaftler superfluide Helium­tröpfchen, die keine Reibung besitzen, im Ultra­hochvakuum erzeugt. Die Tröpfchen haben eine Größe von nur wenigen Nano­metern und dienen als Substrat, in dem die Forscher die eigent­lichen mole­kularen Strukturen im Baukasten­prinzip synthe­tisieren, also durch die Verbindung verschiedener mole­kularer Bausteine erzeugen. Dabei untersuchen sie diese Strukturen gleichzeitig mit der 2D-Spektro­skopie. „In den Experimenten haben wir verschiedene spezia­lisierte Techniken zusammen­geführt, wodurch sich die Mess­empfindlichkeit der 2D-Spektro­skopie drastisch verbesserte. Nur so war es uns möglich, isolierte Moleküle zu untersuchen“, erklärt Bruder.

In einer ersten Studie haben die Wissen­schaftler extrem kalte Moleküle des chemischen Elements Rubidium in einem unge­wöhnlichen Quanten­zustand erzeugt, in dem die Atome des Moleküls unter­einander nur schwach gebunden sind, und haben deren licht­induzierte Reaktionen unter Einfluss der Helium­umgebung analysiert. „Unser Ansatz eröffnet eine Vielzahl von Anwen­dungen, gerade auf dem Gebiet der Photo­voltaik oder Opto­elektronik, und wird schließlich zu einem besseren Verständnis funda­mentaler Prozesse beitragen“ sagt Stienke­meier.

U. Freiburg / JOL

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