Neue Methoden der 2D-Spektroskopie
Mit optischer Spektroskopie können Energiestruktur und dynamische Eigenschaften komplexer Quantensysteme untersucht werden. Forscher der Universität Würzburg zeigen zwei neue Ansätze der kohärenten zweidimensionalen Spektroskopie.
Laserpuls-Sequenzen führen zu 2D-Spektren: Bei der EEI2D-Spektroskopie treffen sich zwei separierte Anregungen; bei der 2D-Massenspektrometrie werden ionische Photoprodukte detektiert.
Grafik: Tobias Brixner, JMU
„Rege das System an und beobachte, wie es sich entwickelt“, lautet das allgemeine Credo der optischen Spektroskopie, wie der Physiker Professor 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 in der Zeitschrift Nature Communications vorgestellt. Beide Ansätze zeigen neue Entwicklungen der sogenannten kohärenten zweidimensionalen (2D) 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)-Spektroscopy“ veranschaulichten die Forscher an einem J-Aggregat auf Perylenbisimid-Basis. „J-Aggregate gehören zu den wichtigsten funktionellen supramolekularen Strukturen. Perylenbisimidfarbstoffe bilden besonders gut J-Aggregate, sodass diese Farbstofffamilie für solche Experimente am besten geeignet ist“, erklärt Professor Frank Würthner, Inhaber des Lehrstuhls für Organische Chemie II und Kooperationspartner in 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.
Ionisation mit dem 2D-Schema untersuchen
In ihrer weiteren Forschung 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 der Professor der JMU. 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 Physiker 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.
Beide neuen Ansätze wurden im Rahmen der Forschungsvorhaben „Solar Technologies Go Hybrid“, der DFG-Forschergruppe 1809 und des ERC-Projekts „MULTISCOPE“ entwickelt.
Originalveröffentlichung
Jakub Dostál, Franziska Fennel, Federico Koch, Stefanie Herbst, Frank Würthner, Tobias Brixner; "Direct observation of exciton–exciton interactions"; Nature Communications; 25. Juni 2018.
Sebastian Roeding, Tobias Brixner; "Coherent two-dimensional electronic mass spectrometry"; Nature Communications; 28. Juni 2018.
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