Doppelt angeregt schwingt besser

Mit optischer Spektroskopie lassen sich Energie­struktur und dynamische Eigenschaften komplexer Quanten­systeme untersuchen. Forscher der Universität Würzburg zeigen nun zwei neue Ansätze der kohärenten zwei­dimensionalen Spektroskopie. „Rege das System an und beobachte, wie es sich entwickelt“, lautet das allgemeine Credo der optischen Spektro­skopie, wie Tobias Brixner erläutert. Die in der Literatur bekannten Methoden sind vielfältig, allerdings wird prinzipiell immer nur das Verhalten einer einzelnen Anregung und deren Folgen untersucht.

Nun haben Physiker und Chemiker der Julius-Maximilians-Universität Würz­burg (JMU) zwei neu­artige Prinzipien der optischen Spektroskopie vorgestellt. Beide Ansätze zeigen neue Entwicklungen der kohärenten zwei­dimensionalen Spektro­skopie. Bei der konventionellen 2D-Spektroskopie regt man ein System bei einer bestimmten Frequenz an und beobachtet, was bei einer anderen passiert.

„Anstatt mit einer Anregung zu beginnen und ihre Dynamik zu analysieren, setzen wir hier zwei Anregungen in das gleiche System und beobachten, wie sie zusammenwirken“ sagt Brixner, Inhaber des Lehr­stuhls für physikalische Chemie I und Leiter dieser Forschung an der JMU. So habe man direkten Zugang zu Energie­transport­phänomenen, da bei der neuen Methode nur dann Signale entstehen, wenn sich zwei zunächst getrennte Anregungen bewegen und dann aufeinander treffen.

Die Idee der „Exciton-Exciton-Interaction-Two-Dimensional-(EEI2D)-Spectroscopy“ veranschaulichten die Forscher an einem J-Aggregat auf Perylen­bisimid-Basis. „J-Aggregate gehören zu den wichtigsten funktionellen supra­molekularen Strukturen. Perylen­bisimid-Farbstoffe bilden besonders gut J-Aggregate, sodass diese Farbstoff­familie für solche Experimente am besten geeignet ist“, erklärt Frank Würthner, Inhaber des Lehr­stuhls für organische Chemie II und Kooperations­partner bei dieser Studie. Anwendbar ist diese Methode auf zahlreiche physikalische, chemische, biologische oder material­wissenschaftlich relevante Systeme, um beispiels­weise dynamische Eigenschaften wie Energie­transport von natürlichen Licht­sammel­systemen und synthetischen Farbstoff­aggregaten zu entschlüsseln.

In ihrer weiteren Forschungsarbeit haben die Physiker um Tobias Brixner kohärente 2D-Spektro­skopie mit Molekular­strahlen kombiniert. „So ist es erstmals möglich, Ionisation mit dem 2D-Schema zu untersuchen“, erklärt Brixner. Dafür verwendeten sie Massen­spektrometrie anstatt optischer Detektion und erhielten 2D-Spektren nicht nur für das Ausgangs­molekül, sondern zeitgleich auch für die Photo­produkte.

„Unsere größte Herausforderung war die Tatsache, dass die Teilchen­dichten in Molekular­strahlen sehr niedrig sind“, erklärt Brixner, „sodass konventionelle Versuche, kohärent emittiertes Licht zu detektieren, vergeblich sind.“ Stattdessen haben die Forscher das durch die Sequenz der Anregungs­impulse erzeugte Ion beobachtet und damit zwei bislang völlig separate Forschungs­gebiete, optische 2D-Spektroskopie und Massen­spektrometrie, zusammengeführt.

Die Methode wendeten die Forscher exemplarisch an, um die Ionisierungs­pfade von 3d-Rydberg-Zuständen in Stickstoff­dioxid zu identifizieren. In der Zukunft soll diese Entwicklung eingesetzt werden, um den Einfluss der Umgebung auf die kohärente Dynamik in größeren Molekülen zu studieren.

JMU / DE