Wie Energie durch Moleküle fließt

Ein exaktes Verständnis der Prozesse, die durch Photo­anregung in Molekülen ausge­löst werden, ist unter anderem Voraus­setzung für die Entwicklung nach­haltiger Techno­logien, die eine auf Sonnen­energie basierende Energie­versorgung ermöglichen. Als Beispiel nennt Markus Koch von der TU Graz die Photo­katalyse, bei der Sonnen­licht in chemische Energie – zum Beispiel für Brenn­stoff­zellen – umge­wandelt wird, was gegenüber elek­trischer Energie aus Photo­voltaik Vorteile im Hinblick auf Lang­zeit­speicherung und Energie­dichte bringt.

Eine Methode für moleküldynamische Unter­suchungen solcher Vorgänge sind Anregungs-Abfrage-Experi­mente mit Hilfe der Femto­sekunden-Photo­elektronen­spektro­skopie. Dabei versetzt ein erster ultra­kurzer Laser­puls das molekulare System in einen gewünschten ange­regten Zustand. Ein zweiter – zeitlich verzögerter – Puls fragt anschließend den aktuellen Anregungs­zustand ab, indem das Molekül ionisiert wird. Die Energie der so erzeugten Photo­elektronen lassen Rück­schlüsse auf den Energie­fluss im Molekül zu.

Eine genaue Beschreibung von licht­indu­zierten Prozessen scheiterte bei einigen Molekülen bisher an den zu geringen Energie­abständen der ange­regten Zustände, zwischen denen der Energie­fluss statt­findet. Laser­pulse im Bereich von Femto­sekunden haben keine genau definierte Wellen­länge, sondern ein breites Spektrum, wodurch eng benac­barte Molekül­zustände nicht selektiv angeregt werden können, was eine genaue Ermittlung der Energie­über­tragung verhindert. Kurze Pulse sind jedoch Voraus­setzung, um die extrem schnellen Prozesse über­haupt beobachten zu können.

In Zusammenarbeit mit Forschern der Uni Wien unter Leitung von Leticia González haben Koch und seine Kollegen diese Hürde nun über­wunden: Durch die Kombi­nation von Experi­menten mit ultra­kurzen Laser­pulsen und theore­tischen Simula­tionen von licht­indu­zierten Prozessen konnte der Energie­fluss in Aceton – ein schon gut erforschtes Molekül – an einer Schlüssel­position zwischen drei eng zusammen­liegenden Zuständen erst­mals beobachtet werden.

Beide Methoden für sich sind weit verbreitet, doch „während die Energie-Zeit-Unschärfe­relation in der Femto­sekunden-Spektro­skopie präzise Ergebnisse verhindert, geben die Echtzeit-Simula­tionen tiefere Einblicke in die Molekül­dynamik, die jedoch wiederum die experi­men­tellen Ergebnisse benötigen, um verifi­ziert zu werden“, erklärt Koch. Die Kombi­nation der beiden Methoden liefert den Forschern einen tieferen Einblick in Aceton-Dynamiken und ist ein Meilen­stein in der Erforschung von Licht-Materie-Wechsel­wirkungen.

TU Graz / RK

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  P. Heim et al.: Revealing Ultrafast Population Transfer between Nearly Degenerate Electronic States, J. Phys. Chem. Lett. 11, 1443 (2020); DOI: 10.1021/acs.jpclett.9b03462
• Femtosecond Dynamics (M. Koch), Institut für Experimentalphysik, Technische Universität Graz, Österreich
• González Research Group, Institut für theoretische Chemie, Universität Wien, Österreich