Laserspektroskopie: Unterscheidung von einfachen und mehrfachen Lichtanregungen
Separation von Signalen besonders nützlich bei großen Systemen mit dicht gepackten Lichtabsorbern.
Der Bau des ersten Lasers im Jahr 1960 leitete kommerzielle Anwendungen mit Licht ein, die aus unserem Alltag nicht mehr wegzudenken sind. Gleichzeitig eröffnete diese Entwicklung das wissenschaftliche Feld der Laserspektroskopie – einer Technik, die für die Analyse von Materialien und die Erforschung grundlegender physikalischer Phänomene von zentraler Bedeutung ist. Trotz aller Erfolge kämpfen Forschungsteams jedoch seit den 1970er Jahren mit dem Problem, dass ein Laser, der auf eine Probe strahlt, diese nicht nur einmal, sondern mehrmals pro Experiment anregen kann. In diesem Fall überlagern sich die Messergebnisse der einmaligen und der mehrfachen Anregung und lassen sich in der Regel nicht voneinander trennen, was das Verständnis des Materials erschwert.
Um Abhilfe zu schaffen, wird die Laserleistung in der Regel so weit reduziert, dass Mehrfachanregungen weniger wahrscheinlich sind als Einzelanregungen. Sie lassen sich jedoch nicht vollständig vermeiden und können daher zu einer fehlerhaften Interpretation der Daten führen. Selbst wenn die Mehrfachanregungen selbst Gegenstand der Untersuchung sind, ist es immer noch schwierig, zwischen zwei, drei, vier oder noch mehr Anregungen zu unterscheiden.
Ein Team von Physikern und Physikochemikern der Uni Würzburg und der University of Ottawa hat dieses jahrzehntealte Problem nun gelöst. Bei dem Experiment in der Gruppe von Tobias Brixner an der Uni Würzburg nutzten die Forscher die gängige Methode der transienten Absorption, um sehr schnelle Veränderungen in verschiedenen Materialien zu verfolgen, die in einem Millionstel einer Millionstel Sekunde auftreten.
Während die Standardmethode eine einzige Laserleistung verwendet, nutzten die Forscher mehrere verschiedene Leistungen und kombinierten die Daten nach einer neu abgeleiteten Formel. Auf diese Weise konnten sie die Effekte von einfacher bis sechsfacher Anregung systematisch trennen. „Vor nicht allzu langer Zeit hätte ich nicht gedacht, dass eine solche Unterscheidung überhaupt möglich ist“, freut sich Brixner, „zumal mit einem so einfachen Verfahren, das jede spektroskopische Forschungsgruppe ohne großen Zusatzaufwand umsetzen und anwenden kann.“
Die Herleitung des „Rezepts“ war jedoch alles andere als einfach und erforderte eine tiefgreifende Analyse. Der Theoretiker und Kooperationspartner Jacob Krich von der Universität Ottawa erklärt: „Die Wechselwirkung von Licht und Materie ist so reichhaltig – und wir haben gezeigt, dass sich darin eine wunderschöne Struktur verbirgt. Dass diese Methode für praktisch jede Probe, die man untersuchen möchte, funktioniert, hat uns alle wirklich überrascht.“
Die neue Methode hat ein breites Spektrum an Anwendungsmöglichkeiten. Die Separation von Signalen aus Einzel- und Mehrfachanregungen ist besonders nützlich bei großen Systemen mit dicht gepackten Lichtabsorbern, wie natürlichen photosynthetischen Komplexen oder organischen Materialien. Für die Zukunft planen die Wissenschaftler, die Methode zu erweitern und beispielsweise den Energietransport in neuartigen photovoltaischen Materialien zu erforschen.
JMU Würzburg / RK
Weitere Infos
- Originalveröffentlichung
P. Malý et al.: Separating single- from multi-particle dynamics in nonlinear spectroscopy, Nature, online 27. März 2023; DOI: 10.1038/s41586-023-05846-7 - AG T. Brixner, Institut für physikalische und theoretische Chemie, Julius-Maximilians-Universität Würzburg
- School of Electrical Engineering and Computer Science, University of Ottawa, Kanada
