I ricercatori dell'Università tecnologica di Graz e dell'Università di Vienna hanno descritto meglio il flusso di energia tra stati molecolari fortemente interagenti. Dagli anni '90, la femtochimica ha studiato processi ultraveloci a livello molecolare. Negli ultimi anni, il gruppo di ricerca Femtosecond Dynamics presso l'Istituto di Fisica Sperimentale della TU Graz è stato in grado di ottenere numerosi successi nell'area dell'interazione luce-materia.

"Una comprensione precisa dei processi innescati dalla fotoeccitazione nelle molecole è, Per esempio, un prerequisito per lo sviluppo di tecnologie sostenibili che consentano un approvvigionamento energetico basato sull'energia solare, "dice Markus Koch, il capo del gruppo di lavoro.

Come esempio, cita la fotocatalisi, che aiuta a convertire la luce solare in energia chimica con vantaggi in termini di accumulo a lungo termine e densità energetica rispetto alla generazione di energia elettrica tramite fotovoltaico.

Un metodo per tali indagini di dinamica molecolare fa uso delle cosiddette misurazioni della sonda di pompaggio che applicano un impulso laser ultracorto per eccitare ("pompare") un sistema molecolare in uno stato desiderato. Dopo un tempo di ritardo regolabile, un secondo laser ("sonda") interroga la popolazione dello stato eccitato ionizzando la molecola.

Si misura l'energia dei fotoelettroni emessi e variando il tempo di ritardo pompa-sonda, si possono trarre conclusioni sul flusso di energia nella molecola.

Il principio di indeterminazione energia-tempo di Heisenberg impedisce risultati esatti

Una descrizione esatta dei processi indotti dalla luce sulla loro scala in tempo reale è finora fallita per alcune molecole poliatomiche che possono intraprendere percorsi di decadimento o frammentazione diversi dopo l'eccitazione, a seconda della scelta tra stati energetici ravvicinati.

Come risultato del principio di indeterminazione energia-tempo di Heisenberg, impulsi laser della durata di soli femtosecondi (10-15 secondi) non possono eccitare selettivamente stati molecolari vicini. Però, impulsi brevi sono un prerequisito per l'osservazione di processi estremamente veloci.

Il nuovo approccio combina teoria ed esperimento

In collaborazione con i ricercatori dell'Istituto di Chimica Teorica presso la Facoltà di Chimica dell'Università di Vienna sotto la direzione della Prof.ssa Leticia González, i fisici sperimentali di Graz hanno ora superato questo ostacolo.

Combinando esperimenti con impulsi laser ultracorti e simulazioni teoriche di processi indotti dalla luce, il flusso di energia nell'acetone, una molecola che è già stata ben studiata, può ora essere osservato per la prima volta in una finestra energetica chiave tra tre stati strettamente correlati.

Anche per il gruppo di Vienna, una forza trainante nel campo della descrizione teorica delle molecole dopo l'eccitazione della luce, il sistema in esame ha presentato una sfida. "Per queste simulazioni, erano necessari nuovi sviluppi nel nostro pacchetto software locale SHARC, senza la quale la corretta descrizione della dinamica dell'acetone non sarebbe stata possibile, " sottolinea González.

Gli effetti di sinergia producono nuove intuizioni

Entrambi i metodi di per sé sono ampiamente utilizzati, ma "mentre la relazione energia-tempo-sfocatura nella spettroscopia a femtosecondi impedisce risultati precisi, le simulazioni in tempo reale forniscono approfondimenti sulla dinamica molecolare, che a loro volta richiedono la verifica dei risultati sperimentali, " spiega Koch.

La combinazione di queste due tecniche ora fornisce ai ricercatori una visione più profonda della dinamica dell'acetone ed è un'ulteriore pietra miliare nello studio delle interazioni luce-materia. I risultati sono stati pubblicati su The Journal of Physical Chemistry Letters .