DOC - UPCON - Ultraschnelle Photochemie in einem begrenzten Quantenlösungsmittel

Ziel des Molecular Engineering ist die Entwicklung neuartiger makroskopischer Systeme durch Manipulation der Quanteneigenschaften ihrer einzelnen Bausteine auf molekularer Ebene. Dieser Ansatz ermöglicht die gezielte Entwicklung künftiger Materialien für die Anwendung in einem breiten Spektrum von Bereichen, von der Energieerzeugung bis zur Gesundheitsfürsorge. Mikroskopie- und Spektroskopietechniken stehen für das Einzelmolekül, den molekularen Zusammenbau und die makroskopische Stufe der Entwicklungskette des Molecular Engineering zur Verfügung. Die dynamischen Eigenschaften auf der Zwischenstufe (molekularer Zusammenbau), die nur mit Methoden der Femtochemie zugänglich sind, stellen jedoch eine ständige Herausforderung dar. Das Ziel des vorgeschlagenen Forschungsprojekts ist die Entwicklung einer neuartigen Methode für ultraschnelle Untersuchungen von Molekülverbänden durch die Demonstration der ersten ultraschnellen photochemischen Experimente in einem begrenzten Quantenlösungsmittel, was einen entscheidenden Schritt für die Weiterentwicklung des Molecular Engineering darstellt. Superfluide Helium-Nanotröpfchen werden als einschließendes Quantenlösungsmittel verwendet. Durch aufeinanderfolgende Aufnahme von Dotierungsatomen und -molekülen ermöglichen die Tröpfchen den Aufbau beliebiger molekularer Anordnungen wie Kern-Schale-Komplexe oder eines Chromophors und seiner Lösungsmittelumgebung. Die Tröpfchen besitzen auch hervorragende spektroskopische Eigenschaften wie Transparenz für Photonenenergien bis 19,8 eV und Abkühlung der Dotierstoffe auf ihren elektronischen/schwingungsmäßigen Grundzustand. Bevor größere molekulare Anordnungen in den Tröpfchen entworfen und analysiert werden können, ist eine gründliche Charakterisierung der Wechselwirkung zwischen dem Superfluid und den Chromophormolekülen erforderlich. Zu diesem Zweck wird die Dynamik einfacher Dimermoleküle als Modellsysteme (Aluminiumdimere und molekulares Jod), die in der Gasphasenspektroskopie gut verstanden werden, im Superfluid untersucht. Die Experimente werden den Einfluss des Quantenfluids auf die kohärente Kernbewegung sowie auf elektronische Zustände und deren Kopplungen aufzeigen. Der geringe Komplexitätsgrad dieser Modellsysteme macht Berechnungen auf hohem Niveau in der Quantenchemie möglich. Als erstes Experiment zur Photochemie in einem eingeschränkten Quantenlösungsmittel sollen zusätzliche Spezies wie Ar oder H2O mit dem Dimer-Superfluid-System kombiniert werden. Die Auswirkung auf die Chromophor-Dynamik wird untersucht, indem die Menge der zusätzlichen Lösungsmittelatome und -moleküle kontinuierlich variiert wird. Die experimentellen Methoden, die in diesem Projekt zum Einsatz kommen, sind die Erzeugung und Dotierung von Heliumtröpfchen, die ultraschnelle Pump-Probe-Photoelektronenspektroskopie sowie die zeitaufgelöste Koinzidenz-/Kovarianzspektroskopie. Fortgeschrittene Nachweistechniken wie Velocity Map Imaging (VMI) und Coulomb Explosion Imaging (CEI) werden Aufschluss über die Kerndynamik und das Fragmentierungsverhalten geben. Um die experimentellen Daten zu interpretieren, wird das Forschungsprojekt von internen Experten für quantenchemische Berechnungen unterstützt. Die Helium-Dichtefunktionaltheorie (HeDFT) wird angewandt, um Verschiebungen der Anregungs- und Ionisierungsenergien zu bestimmen, die durch die Chromophor-Superfluid-Wechselwirkung (Blasenausdehnung) verursacht werden.