Photoinduzierte Dynamiken in einer Quantenflüssigkeit

Supraflüssige Helium Nanotröpfchen von wenigen Nanometern Durchmesser stellen ein ideales Medium für die Erzeugung und Untersuchung von zum Teil exotischen Molekülen oder Clustern bei einer Temperatur nahe dem absoluten Nullpunkt dar. Elektronische Anregungen und die Ionisation der Teilchen im Inneren der Tröpfchen mittels Photonen lösen dabei vielfältige dynamische Prozesse aus. In diesem Projekt werden Tröpfchen mit einzelnen Atomen beladen, um solche Prozesse auf Zeitskalen im Femto- (10-15 s) und Pikosekundenbereich (10-12 s) zu untersuchen. Dabei werden folgende Fragestellungen behandelt: 1) Welche Zeitskalen gelten für die unterschiedlichen Prozesse? 2) In welcher Weise findet elektronische Relaxation der angeregten Atome statt? 3) Werden Moleküle, bestehend aus einem angeregten Gastatom und einem Helium Atom gebildet? 4) Welchen Einfluss hat die supraflüssige Umgebung auf die bei Ionisation erzeugten Elektronen und Ionen? Zur Beantwortung dieser Fragen sollen am Institut für Experimentalphysik der Technischen Universität Graz Femtosekunden-Laserpulse eingesetzt werden, wobei ein Puls die Atome anregt und ein zweiter Puls zeitverzögert ionisiert. Informationen über die Dynamik des Systems werden dabei von der Abhängigkeit der Elektronen- und Ionensignale als Funktion der Zeitverzögerung zwischen den beiden Pulsen erhalten. Das Projekt erlaubt den Einstieg in die Untersuchung sehr viel komplexerer Aggregate und deren Dynamik nach Fotoanregung oder -ionisation in einer supraflüssigen Umgebung bei tiefer Temperatur. Insbesondere soll das Potential eines Einsatzes von Heliumtröpfchen für die Erkundung lichtinduzierter Prozesse in Molekülen mit technologischer oder biologischer Relevanz untersucht werden.

Die Erforschung der Wechselwirkung von Licht mit Materie ist eine fundamentale Voraussetzung für eine gezielte Umwandlung von Sonnenenergie in andere Energieformen und birgt durch die nötige Abwendung von fossilen Energieträgern eine enorme gesellschaftliche Relevanz. Für Untersuchungen einzelner molekularer Bausteine im Sinne eines bottom-up Zugangs stellen suprafluide Helium-Nanotröpfchen einen besonders vielversprechenden Zugang dar. Diese Tröpfchen bieten aufgrund ihres winzigen Durchmessers von wenigen Nanometern und ihrer niedrigen Temperatur von weniger als einem Kelvin über dem absoluten Nullpunkt einzigartige Umgebungsbedingungen unter denen in kontrollierter Umgebung nanostrukturierte Molekülaggregate erzeugt und untersucht werden können, die mit anderen Methoden nicht zugänglich sind. In diesem Projekt wurden einzelne Atome und Moleküle im Inneren von Heliumtröpfchen isoliert und erstmals mit Femtosekunden-Laserspektroskopie untersucht. Die Femtosekunden-Technik erlaubt es Prozesse auf Zeitskalen im Femto- (10-15 s) und Pikosekundenbereich (10-12 s) zu untersuchen, eine Zeitauflösung die aufgrund der kleinen Abmessungen und geringen Massen von molekularen Systemen benötigt wird. Im Laufe des Projekts ist es erstmals gelungen primäre Prozesse, die durch Fotoanregung der in den Tröpfchen eingelagerten Atome und Moleküle ausgelöst werden, zu beobachten. Durch Kombination von zeitaufgelöster Fotoelektronen-Detektion und theoretischer Modellierung mittels Dichtefunktionaltheorie ist es gelungen sowohl den zeitlichen Ablauf, als auch die Bewegungen und den Energiefluss detailliert zu beschreiben. Dieses mechanistische Verständnis stellt eine wichtige Grundlage für zukünftige Untersuchungen an komplexeren Systemen dar. Als erste Demonstration in diese Richtung ist es auch gelungen, die Schwingungen zweiatomarer Moleküle im Inneren der Tröpfchen zu messen. Dabei wurde unerwarteter Weise entdeckt, dass die Beeinflussung von Kernbewegungen gelöster Moleküle durch superfluides Helium um Größenordnungen geringer ausfallen kann als in gewöhnlichen Lösungsmitteln. Diese außergewöhnliche Eigenschaft könnte es in Zukunft ermöglichen Aggregate großer fotoaktiver Systeme im Hinblick auf Energie- und Ladungsträger-Transport zu untersuchen.