Markus Koch, capo del gruppo di ricerca Femtosecond Dynamics presso l'Istituto di Fisica Sperimentale presso TU Graz, e il suo team sviluppano nuovi metodi per la spettroscopia laser a femtosecondi risolta nel tempo per studiare i processi ultraveloci nei sistemi molecolari. Nel 2018 il gruppo ha dimostrato per la prima volta che i processi fotoindotti possono essere osservati all'interno di una nanogoccia di elio, una gocciolina di dimensioni nanometriche di elio superfluido che funge da solvente quantistico. Per le loro indagini, i ricercatori hanno posizionato un singolo atomo di indio all'interno della gocciolina e hanno analizzato la reazione del sistema con il principio pump-probe. L'atomo è stato eccitato con un impulso laser ultracorto, innescando il riarrangiamento dell'ambiente dell'elio entro femtosecondi (10 ^-15 secondi). Un secondo impulso laser ritardato ha sondato questo sviluppo e ha fornito informazioni sul comportamento del sistema.

Successo passo successivo

Utilizzando la stessa tecnica, Koch e i suoi colleghi Miriam Meyer, Bernhard Thaler e Pascal Heim, visualizzato il movimento del singolo, molecole isolate all'interno di una goccia di elio per la prima volta. I ricercatori hanno formato una molecola di dimero di indio all'interno di una gocciolina di elio caricandola successivamente con due atomi di indio. Hanno quindi innescato una vibrazione nella molecola mediante fotoeccitazione e hanno osservato il movimento dei nuclei in tempo reale con la stessa tecnica pump-probe.

I ricercatori considerano due aspetti dell'esperimento particolarmente importanti:primo, dimostra che tali esperimenti sono in grado di osservare processi intramolecolari ultraveloci, ad es. processi che avvengono all'interno di una molecola eccitata.

L'elio ha poca influenza sulle molecole incorporate

Secondo, il gruppo ha scoperto che l'influenza dell'elio superfluido sulle vibrazioni molecolari è significativamente più debole rispetto ai solventi convenzionali, come acqua o metanolo. I processi intramolecolari sono solitamente influenzati dalle interazioni con l'ambiente e nei solventi convenzionali questa interazione è così forte che i processi intramolecolari non possono essere osservati, come spiega Bernhard Thaler:"L'elio fluido quantistico, che ha una temperatura di soli 0,4 K (nota:meno 272,75 gradi Celsius), è davvero speciale, poiché la perturbazione sulla molecola incorporata è molto bassa. Inoltre, molecole fragili, che spesso si rompono in altre tecniche, sono stabilizzati grazie al meccanismo di raffreddamento e possono ora essere indagati".

Markus Koch vuole estendere il metodo a molecole complesse

"Vediamo un grande potenziale nelle nanogoccioline di elio perché offrono meravigliose opportunità per la creazione di sistemi molecolari, " disse Koch, spiegando perché lui e il suo team sviluppano questo metodo per gli studi sui femtosecondi. Nel passaggio successivo, il gruppo Femtosecond Dynamics punta a sistemi più complessi. "La struttura delle molecole di indio, che abbiamo usato come sistema modello, è molto semplice ma in futuro vogliamo guardare a molecole tecnologicamente rilevanti, che sono più complesse. Lo considero un approccio promettente all'ingegneria molecolare, dove i materiali futuri vengono sviluppati manipolando il comportamento quantistico dei loro costituenti molecolari".