Ερευνητές εφάρμοσαν φασματοσκοπία 2-D σε απομονωμένα μοριακά συστήματα για πρώτη φορά

Ερευνητές εφάρμοσαν φασματοσκοπία 2-D σε απομονωμένα μοριακά συστήματα για πρώτη φορά
Η φασματοσκοπία 2-D απεικονίζει τις αντιδράσεις που προκαλούνται από το φως στα μόρια του Ρουβίδιου σε διάφορα φάσματα χρώματος. Image credit Dr. Lukas Brude

Μια ερευνητική ομάδα με επικεφαλής τον καθηγητή Δρ. Frank Stienkemeier και τον Δρ. Lukas Bruder του Ινστιτούτου Φυσικής που ανήκει στο πανεπιστήμιο του Φράιμπουργκ εφάρμοσε για πρώτη φορά φασματοσκοπία 2-D σε απομονωμένα μοριακά συστήματα και κατά συνέπεια υπήρξε ακριβέστερος εντοπισμός των διαδραστικών διεργασιών σε μοριακό επίπεδο. Η ομάδα δημοσίευσε τα αποτελέσματά της στο επιστημονικό περιοδικό Nature Communications.

Οι διεργασίες σε ατομικό και μοριακό επίπεδο συχνά λαμβάνουν χώρα σε πολύ σύντομες χρονικές κλίμακες, γρηγορότερα από ένα δισεκατομμυριοστό του δευτερολέπτου και βασίζονται στην αλληλεπίδραση πολλών παραγόντων. Μέχρι τώρα, αυτή η ιδιοτροπία έχει δυσκολέψει την αποκρυπτογράφηση των ακριβών μικροσκοπικών μηχανισμών, όπως η μετατροπή της ενέργειας στη φωτοβολταϊκή ή στη φωτοσύνθεση.

Η συνεκτική δισδιάστατη φασματοσκοπία περιλαμβάνει πολύ βραχείς παλμούς λέιζερ που εκτοξεύονται προς ένα συγκεκριμένο υλικό. Αυτή η μέθοδος επέτρεψε στους ερευνητές να παρακολουθήσουν τη δυναμική αυτών των διαδικασιών. Η δισδιάστατη φασματοσκοπία παρέχει πολύ μεγαλύτερη ποσότητα πληροφορίας από άλλες μεθόδους, σε συνδυασμό με υψηλή ανάλυση χρόνου στην περιοχή των femtoseconds, το εκατομμυριοστό μέρος ενός δισεκατομμυρίου του δευτερολέπτου.

Ωστόσο, για τεχνικούς λόγους, η μέθοδος αυτή προηγουμένως περιοριζόταν στη μελέτη υγρού ή στερεού υλικού.

«Σε προηγούμενα πειράματα, τα δείγματα ήταν πολύ περίπλοκα, γεγονός που καθιστούσε εξαιρετικά δύσκολη την απομόνωση μεμονωμένων κβαντομηχανικών αποτελεσμάτων και την ακριβή μελέτη τους. Η προσέγγισή μας ξεπερνά αυτό το εμπόδιο», εξηγεί ο Bruder, ο οποίος ήταν επικεφαλής του πειράματος.

Κατά την προετοιμασία για το πείραμα, οι επιστήμονες παρήγαγαν υπερ-ρευστά σταγονίδια ηλίου, τα οποία δεν παρουσιάζουν τριβή, σε υπερβολικό κενό. Τα σταγονίδια έχουν μέγεθος μόνο μερικά νανόμετρα και χρησιμεύουν ως υπόστρωμα στο οποίο οι ερευνητές συνθέτουν τις πραγματικές μοριακές δομές χρησιμοποιώντας μια αρθρωτή αρχή – με άλλα λόγια, συνδυάζοντας μοριακά συστατικά ένα προς ένα. Αυτές οι δομές στη συνέχεια μελετώνται μέσω φασματοσκοπίας 2-D.

«Στα πειράματα, συνδυάσαμε διάφορες ειδικές τεχνολογίες που βελτίωσαν δραστικά την ευαισθησία μέτρησης της φασματοσκοπίας 2-D. Με αυτόν τον τρόπο, ήταν δυνατόν να μελετήσουμε μεμονωμένα μόρια», πρόσθεσε ο Bruder.

Σε μια αρχική μελέτη, οι επιστήμονες από το Φράιμπουργκ παρήγαγαν εξαιρετικά ψυχρά μόρια του χημικού στοιχείου Ρουβίδιο σε μια ασυνήθιστη κβαντική κατάσταση, όπου τα άτομα του μορίου συνδέονται μόνο ασθενώς και αναλύουν τις αντιδράσεις που προκαλούνται από το φως υπό την επίδραση του περιβάλλοντος ήλιου.

«Η προσέγγισή μας ανοίγει μια σειρά εφαρμογών, ειδικά στον τομέα των φωτοβολταϊκών ή της οπτοηλεκτρονικής, και τελικά θα συμβάλει στην καλύτερη κατανόηση των θεμελιωδών διαδικασιών», ανέφερεο Stienkemeier.