Einbahnstraße für Elektronen

Ob in Solarzellen, bei der Photo­synthese oder im mensch­lichen Auge: Fällt Licht auf das Material, so kommt es in bestimmten Molekülen zu einem Transport von Energie und Ladung. Dieser führt dazu, dass sich Ladungen trennen und Strom erzeugt wird. Dabei sorgen konische Durch­schneidungen – eine Art molekularer Trichter – dafür, dass dieser Transport hoch­effizient und gerichtet statt­findet. Ein inter­nationales Team um Antonietta De Sio von der Uni Olden­burg und Thomas Frauen­heim von der Uni Bremen hat jetzt erstmals experi­mentell beobachtet und mit Simula­tionen bestätigt, dass solche konischen Durch­schneidungen auch für einen ultra­schnellen, gerichteten Energie­transport zwischen benach­barten Molekülen eines Nano­materials sorgen. Bisher hatten Wissen­schaftler dieses Phänomen nur inner­halb eines Moleküls nach­ge­wiesen. Die Ergebnisse könnten lang­fristig helfen, beispiels­weise effi­zientere Nano­materialien für organische Solar­zellen zu entwickeln.

Photochemische Prozesse spielen in der Natur und Technik eine große Rolle: Absorbieren Moleküle Licht, gehen ihre Elektronen in einen angeregten Zustand über. Dieser Übergang löst extrem schnelle molekulare Schalt­prozesse aus. Im mensch­lichen Auge zum Beispiel dreht sich das Molekül Rhodopsin nach Absorption eines Photons auf eine bestimmte Art und löst damit letztlich ein elektrisches Signal aus – der elementarste Schritt des Sehvorgangs.

„Der Drehprozess läuft immer ähnlich ab, obwohl es aus quanten­mechanischer Sicht viele unter­schied­liche Möglich­keiten für die molekulare Bewegung gibt,“ erläutert Team-Mitglied Christoph Lienau. Grund hierfür ist, dass sich das Molekül beim Dreh­prozess durch eine konische Durch­schneidung hindurch­bewegen muss, wie ein Forscher­team bereits 2010 im Sehpigment experi­mentell zeigte. „Dieser quanten­mechanische Mechanismus funktioniert wie eine Einbahn­straße im Molekül: Er leitet die Energie mit sehr hoher Wahr­schein­lichkeit in eine bestimmte Richtung“, so Lienau.

Eine solche Einbahnstraße für Elektronen haben die Forscher jetzt in einem Nano­material beobachtet, das Kollegen der Uni Ulm herge­stellt hatten und das bereits in organischen Solar­zellen verwendet wird. „Das Besondere ist, dass wir erstmals experi­mentell konische Durch­schneidungen zwischen neben­ein­ander liegenden Molekülen nachge­wiesen und theoretisch nachvollzogen haben“, erläutert De Sio. Bisher hatten Physiker weltweit das quanten­mechanische Phänomen nur inner­halb eines Moleküls beobachtet und lediglich spekuliert, dass es konische Durch­schneidungen auch zwischen neben­ein­ander­liegenden Molekülen geben könnte.

Das Team hat die Einbahnstraße für Elektronen mit Methoden der ultra­schnellen Laser­spektro­skopie entdeckt. Dabei beleuchten die Wissen­schaftler das Material mit nur wenige Femto­sekunden kurzen Laser­impulsen. Die Methode ermöglicht den Forschern, eine Art Film von den Prozessen aufzu­nehmen, die direkt nach dem Eintreffen des Lichts auf dem Material ablaufen. Dabei konnten die Forscher verfolgen, wie sich Elektronen und Atomkerne durch eine konische Durch­schneidung hindurch­bewegten.

Das Team fand heraus, dass eine besonders starke Kopplung zwischen den Elektronen und bestimmten Schwingungs­bewegungen des Atomkerns dazu beiträgt, Energie wie auf einer Einbahn­straße von einem Molekül zu einem anderen zu über­tragen. Genau das passiert bei der konischen Durch­schneidung, die die Forscher damit ding­fest machen. „In dem von uns unter­suchten Material lagen nur etwa vierzig Femto­sekunden zwischen der aller­ersten optischen Anregung und dem Durch­tritt durch die konische Durch­schneidung“, so De Sio.

Mithilfe theoretischer Berechnungen konnten Kollegen weiterer Institute dann die Beobach­tungen und ihre Inter­pretation bestätigen. Zwar können die Forscher die genaue Wirkung und das techno­logische Potenzial dieser quanten­mechanischen Einbahn­straßen auf Nano­strukturen noch nicht im Detail abschätzen. Lang­fristig könnten die neuen Erkennt­nisse aber dabei helfen, Materialien für organische Solar­zellen oder opto­elektronische Bauteile besser maßzu­schneidern und deutlich effizienter als bisher zu machen oder künst­liche Augen aus Nano­strukturen zu entwickeln.

U. Oldenburg / RK

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  A. De Sio et al.: Intermolecular conical intersections in molecular aggregates, Nat. Nanotech., online 16. November 2020; DOI: 10.1038/s41565-020-00791-2
• Ultraschnelle Nano-Optik (C. Lienau), Institut für Physik, Universität Oldenburg
• Computational Materials Science (T. Frauenheim), Bremen Center for Computational Materials Science, Universität Bremen