Graz – Forschern aus Graz und Wien ist es erstmals gelungen, den Energiefluss im Molekül Propanon (besser bekannt als Aceton) zwischen drei eng zusammenliegenden Zuständen zu beobachten. Dafür kombinierten sie Experimente mit ultrakurzen Laserpulsen und theoretische Simulationen. Ihre Ergebnisse veröffentlichten sie in in der Fachzeitschrift "The Journal of Physical Chemistry Letters".
Der Experimentalphysiker Markus Koch und seine Kollegen von der TU Graz kooperierten dafür mit dem Institut für Theoretische Chemie der Universität Wien unter Leitung von Leticia Gonzalez. Laut TU liefert die Kombination der zwei Techniken den Forschern einen tieferen Einblick in die Dynamiken des Aceton-Moleküls. Koch spricht von einem weiteren Meilenstein in der Erforschung von Licht-Materie-Wechselwirkungen.
Der bisherige Forschungsstand
In den vergangenen Jahren nutzten die Grazer Forscher Anregungs-Abfrage-Experimente mit Hilfe der Femtosekunden-Photoelektronenspektroskopie, um lichtinduzierte ultraschnelle Prozesse zu beschreiben. 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. Die Pulse in dieser Methode haben jedoch keine genau definierte Wellenlänge, sondern ein breites Spektrum, wodurch die Prozesse bei einigen Molekülen nicht genau beschrieben werden können. Das liegt daran, dass die Energiezustände bei einigen Molekülen zu eng zusammenliegen und deshalb von den Pulsen nicht einzeln selektiert werden können.
Kombination der Methoden
Nun ist es gelungen, die experimentelle Methode der Femtosekunden-Photoelektronenspektroskopie mit einer zweiten Methode zur Beschreibung von lichtinduzierten Prozessen zu kombinieren und somit die Unschärfe zu überwinden. Die zweite Methode umfasst dabei theoretische Simulationen der Prozesse im Molekül.
Mithilfe der Kombination konnten die ultraschnellen lichtinduzierten Prozesse des schon gut erforschten Aceton-Moleküls an einer Schlüsselposition zwischen drei eng zusammenliegenden Zuständen nun erstmals beobachtet werden. Beide Methoden für sich sind weit verbreitet, doch "während die Energie-Zeitunschärferelation 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", so Koch.
"Ein exaktes Verständnis jener Prozesse, die durch Photoanregung in Molekülen ausgelöst werden, ist beispielsweise Voraussetzung für die Entwicklung nachhaltiger Technologien, die eine auf Sonnenenergie basierende Energieversorgung ermöglichen", so Koch. Als Beispiel nannte er die Photokatalyse, bei der Sonnenlicht in chemische Energie, etwa für Brennstoffzellen, umgewandelt wird, was gegenüber elektrischer Energie aus Photovoltaik Vorteile im Hinblick auf Langzeitspeicherung und Energiedichte bringt. (APA, red, 13. 2. 2020)