Femtosekunden-Moleküldynamiken in supraflüssigem Helium

Nanometergroße Heliumtröpfchen bieten einen einzigartigen und faszinierenden Ansatz zur Synthese und Untersuchung neuartiger Moleküle, molekularer Aggregate und Cluster unter sehr kontrollierten Bedingungen bei Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt. Während spektroskopische Untersuchungen von Partikel im Inneren von Heliumtröpfchen mit Dauerstrichlasern eine etablierte Technik darstellen, um ihre statischen Eigenschaften zu untersuchen, befinden sich Methoden, die mit ultrakurzen Laserpulsen die Untersuchung dynamischer Prozesse in den Tröpfchen in Echtzeit ermöglichen, gegenwärtig in Entwicklung. Im Vorgängerprojekt (P 29369) konnten wir zeigen, dass ultraschnelle Dynamiken eines einzelnen Atoms, das sich in Inneren eines Heliumtröpfchens befindet, mit einer zeitlichen Auflösung von Femtosekunden (10-15 s) beobachtet werden können, indem zeitaufgelöste Photoelektronen- Spektroskopie eingesetzt wird. In diesem Projekt steigern wir die Komplexität der untersuchten Teilchen, indem wir Metalldimere (In2, Al2, ...) im Inneren von Heliumtröpfchen untersuchen, die aufgrund der Möglichkeit zu Schwingungen zusätzliche intramolekulare Dynamiken aufweisen. Insbesondere werden wir den Einfluss der suprafluiden Heliumumgebung auf die Schwingungsdynamik (Wellenpakete) charakterisieren, und untersuchen wie dieser Einfluss von experimentellen Parametern wie der Anregungsenergie oder der Molekülmasse abhängt. Wir streben die Erstellung eines mechanistischen Modells an, das den Einfluss des Quantenfluids (Helium) auf die Kernbewegung von Molekülen beschreibt. Die Ergebnisse sollen eine Grundlage für die Planung und Interpretation zukünftiger Experimente mit neuartigen Systemen im Inneren von Heliumtröpfchen bilden. Das Projekt wird in den Ultrakurzpulslaser-Laboratorien des Instituts für Experimentalphysik der TU Graz in Zusammenarbeit mit Forschern der Universität Barcelona (Spanien) und der VU Amsterdam (Niederlande) durchgeführt.

Ein umfassendes Verständnis der grundlegenden Wechselwirkungsprozesse zwischen Licht und Materie ist entscheidend für die Entwicklung lichtbasierter Anwendungen wie die Nutzbarmachung von Sonnenenergie oder Photokatalyse. Da die primären photophysikalischen und photochemischen Prozesse typischerweise auf Femto- und Pikosekunden-Zeitskalen ablaufen, erfordert ihre Untersuchung zeitaufgelöste Femtosekunden-Laserspektroskopie. Für Studien einzelner molekularer Bausteine und kleiner atomarer/molekularer Aggregate im Sinne eines Bottom-up-Ansatzes stellen superfluide Helium-Nanotröpfchen einen besonders vielversprechenden Ansatz dar. Ihr kleiner Durchmesser von wenigen Nanometern und die niedrige Temperatur von weniger als einem Kelvin über dem absoluten Nullpunkt bieten einzigartige Bedingungen, um nanostrukturierte molekulare Aggregate in einer kontrollierten Umgebung zu erzeugen und zu untersuchen. Dieses Projekt basiert auf ersten Demonstrationen der Femtosekundenspektroskopie in He-Tröpfchen und entwickelt Photoelektronen und insbesondere -Ionen als zuverlässige Observable für photoinduzierte Moleküldynamiken im Inneren der Tröpfchen. Während Photoelektronen Einblicke in die elektronische Struktur von Molekülen liefern, geben Photoionen Aufschluss über deren Kernstruktur. Es konnte gezeigt werden, dass die korrelierte Elektron-Ionen-Detektion, sowie die bildgebende Detektion von Ionen und Elektronen, beides Standardtechniken in Gasphasen-Experimenten, auch in He-Tröpfchen anwendbar sind. Diese Techniken ermöglichen tiefere Einblicke in die photoinduzierte Dynamiken der eingebetteten Moleküle. Mit diesen neuen Detektionsmöglichkeiten wurden verschiedene nukleare Dynamiken kleiner Moleküle und atomarer Aggregate untersucht. Beispielsweise wurden die besonderen Solvatisierungseigenschaften von Mg-Atomen in He-Tröpfchen, die zur Bildung einer metastabilen "Schaum"-Konfiguration mit einem interatomaren Abstand von 1 nm führen, genutzt, um die Clusterbildung zu untersuchen. Während der Bindungsphase konnten wir einen neuartigen Energieumwandlungsprozess nachweisen: Energy-Pooling-Kollisionen von photoangeregten Mg-Atomen, die hochangeregte Zustände bevölkern. Bei dieser Studie handelt es sich um eine seltene Beobachtung der Entstehung chemischer Bindungen in Echtzeit, die das Potenzial von He-Tröpfchen für die Erforschung neuartiger Prozesse unterstreicht. Am Beispiel der Photodissoziation einzelner Iodmoleküle (I2) in He-Tröpfchen konnte gezeigt werden, dass mittels Coulomb-Explosion-Imaging Einblicke in die Kerndynamiken photochemischer Prozesse gewonnen werden können. Diese Studie legt somit den Grundstein für Untersuchungen zu intermolekularen Protonen- und Wasserstofftransferprozessen. Zusammenfassend demonstriert dieses Projekt die Fähigkeiten von He-Tröpfchen als Nano-Kryoreaktoren für die Untersuchung von Energie- und Ladungstransferprozessen in molekularen Aggregaten, die bislang unzugänglich waren.