Ultraschnelle Prozesse in Helium-Tröpfchen

Der Leiter der Arbeitsgruppe „Femtosecond Dynamics“ am Institut für Experimental­physik der Technischen Universität Graz Markus Koch und sein Team entwickeln neue Methoden für die zeitauf­gelöste Femt­osekunden-Laser­­spektroskopie, um ultraschnelle Prozesse in molekularen Systemen zu untersuchen. 2018 gelang der Gruppe erstmals die Beobachtung einer photo­induzierten Reaktion eines Atoms in einer speziellen Umgebung, nämlich im Inneren eines suprafluiden Helium-Nano­tröpfchens. Für ihre Untersuchungen setzten die Forscher ein einzelnes Indiumatom in das Tröpfchen und analysierten die Reaktion des Atoms mit dem Pump-Probe-Prinzip. Dabei wurde das Atom mit einem ultrakurzen Laserpuls angeregt, woraufhin sich die Helium­umgebung im Femtosekunden­bereich an den angeregten Atomzustand anpasste. Ein zeit­verzögerter zweiter Laserpuls verfolgte diese Entwicklung und lieferte Informationen zum Verhalten des Systems.

Mit derselben Technik visualisierte Koch gemeinsam mit seinen Kollegen Bernhard Thaler, Pascal Heim und Miriam Meyer nun erstmals die Bewegung von Molekülen im Inneren eines Helium-Nano­tröpfchens. Dazu brachte das Quartett zwei Indiumatome in das Tröpfchen ein, wo sich diese zu einem Molekül verbanden. Durch Photo­anregung wurde im Molekül eine Schwingung ausgelöst, deren Entwicklung mit der zuvor beschriebenen Pump-Probe-Methode beobachtet wurde. Für die Forscher sind dabei zwei Ergebnisse von besonderer Bedeutung: Zum einen konnten sie demonstrieren, dass es mit solchen Experimenten generell möglich ist, ultraschnelle intra­molekulare Prozesse zu beobachten. Zum anderen stellte die Gruppe fest, dass Helium einen viel schwächeren Einfluss auf die Molekül­bewegung hat, als herkömmliche Lösungsmittel wie Wasser oder Methanol.

Intra­molekulare Prozesse werden in der Regel durch die Wechselwirkungen mit der Umwelt beeinflusst. Bei herkömmlichen Lösungsmitteln ist diese Wechselwirkung aber so stark, dass intra­molekulare Prozesse nicht beobachtet werden können, wie Bernhard Thaler erklärt: „Gerade fragile Moleküle zerbrechen oft nach der Anregung, oder werden in ihrer Schwingung gestört. Das ist im Heliumtropfen nach­weislich anders. Dort herrschen Temperaturen von 0,4 Kelvin. Dadurch ist der Einfluss auf das eingebettete Molekül um vieles geringer und es ist möglich, die intra­molekularen Prozesse genau zu beobachten und selbst sehr fragile Moleküle zu untersuchen.“ 

„Wir sehen in Helium-Nano­tropfen ein großes Potenzial, da sie wunderbare Möglichkeiten bieten, molekulare Systeme zu erzeugen“, erklärt Koch. Im nächsten Schritt möchte die Arbeits­gruppe nun komplexere Strukturen erzeugen und beobachten, wie sich die molekulare Schwingung dadurch ändert. „Indium-Moleküle sind sehr einfach aufgebaut. Wir wollen zukünftig techno­logisch relevante und zugleich komplexere Moleküle ansehen und uns so schrittweise an ‚molecular engineering‘ herantasten.“ Das Verfahren könnte lang­fristig dafür genutzt werden, neue Materialien – beispiels­weise für die organische Elektronik – zu entwickeln.  

TU Graz / JOL

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  B. Thaler et al.: Long-Lived Nuclear Coherences inside Helium Nanodroplets, Phys. Rev. Lett. 124, 115301 (2020); DOI: 10.1103/PhysRevLett.124.115301
• Arbeitsgruppe Femtosekunden-Dynamik, Institut für Experimentalphysik, Technische Universität Graz