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Neue Methoden der 2D-Spektroskopie

Einblicke in Quantensysteme durch Anregungs-Crash

| Autor/ Redakteur: Corinna Russow* / Christian Lüttmann

Licht ist Träger von Energie und Information. Physiker nutzen Lichtstrahlen in der optischen Spektroskopie, um die Energiestruktur und dynamischen Eigenschaften komplexer Quantensysteme zu untersuchen. Zwei neue Ansätze für die kohärente zweidimensionale Spektroskopie präsentieren nun Forscher der Würzburger Julius-Maximilians-Universität.

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2D-Spektrum aus der optischen Spektroskopie
2D-Spektrum aus der optischen Spektroskopie
(Bild: Tobias Brixner, JMU)

Würzburg – „Rege das System an und beobachte, wie es sich entwickelt“, so lautet das allgemeine Credo der optischen Spektroskopie, wie Prof. Tobias Brixner von der Julius-Maximilians-Universität Würzburg (JMU) sagt. Die in der Literatur bekannten Methoden sind vielfältig, doch vom Grundprinzip her ähneln sie sich sehr: Es wird immer lediglich das Verhalten einer einzelnen Anregung und deren Folgen untersucht.

Nun haben Physiker und Chemiker der JMU das Portfolio der optischen Spektroskopie um zwei neuartige Prinzipien ergänzt. Beide Ansätze zeigen neue Entwicklungen der so genannten kohärenten zweidimensionalen Spektroskopie.

Energietransport spektroskopisch untersuchen

Bei der konventionellen 2D-Spektroskopie regt man ein System bei einer bestimmten Frequenz an und beobachtet, was bei einer anderen Frequenz passiert. Die neue Methode der Würzburger Forscher unterscheidet sich hier schon im ersten Schritt, der Anregung: „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. Dies bedeutet, dass nur dann Signale entstehen, wenn sich zwei zunächst getrennte Anregungen bewegen und dann aufeinander treffen. So habe man direkten Zugang zu Energietransportphänomenen, sagt der Physiker. Die neue Spektroskopiemethode bezeichnen die Forscher als Exciton-Exciton-Interaction-Two-Dimensional-Spektroscopy, abgekürzt EEI2D-Spektroskopie.

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Exzitonen

Durch Lichtenergie der passenden Wellenlänge können Elektronen in einem Halbleiter angeregt werden. Sie gehen dann von ihrem Grundzustand in einen angeregten Zustand über und hinterlassen dabei eine Ladungslücke. Angeregtes Elektron und zugehörige Ladungslücke werden als Elektron-Loch-Paar zusammengefasst, auch Exziton genannt. Ein solches Exziton kann sich als Quasiteilchen durch das Material bewegen und seine Anregungsenergie mit transportieren. Dieses Phänomen macht sich die an der JMU neu entwickelte EEI2D-Spektroskopie zu nutze.

Die Idee der EEI2D-Spektroskopie veranschaulichten die Forscher an einem speziellen Farbstoff, einem so genannten 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 Prof. Frank Würthner, Inhaber des Lehrstuhls für Organische Chemie II und Kooperationspartner in dieser Studie.

Anwendbar ist diese Methode laut den Forschern auf zahlreiche physikalische, chemische, biologische oder materialwissenschaftlich relevante Systeme, um beispielsweise dynamische Eigenschaften wie Energietransport von natürlichen Lichtsammelsystemen und synthetischen Farbstoffaggregaten zu entschlüsseln.

2D-Spektroskopie und Massenspektrometrie kombiniert

In ihrer weiteren Forschung haben die Physiker um 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, sodass konventionelle Versuche, kohärent emittiertes Licht zu detektieren, vergeblich sind“, erklärt Brixner. 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.

Originalpublikationen:

Jakub Dostál, Franziska Fennel, Federico Koch, Stefanie Herbst, Frank Würthner, Tobias Brixner: Direct observation of exciton–exciton interactions. Nature Communications, 25. Juni 2018, DOI: 10.1038/s41467-018-04884-4

Sebastian Roeding, Tobias Brixner: Coherent two-dimensional electronic mass spectrometry. Nature Communications, 28. Juni 2018, DOI: 10.1038/s41467-018-04927-w

* C. Russow, Julius-Maximilians-Universität Würzburg, 97070 Würzburg

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