Energiefluss in der Nanowelt

| Autor / Redakteur: Robert Emmerich* / Christian Lüttmann

Dreidimensionales Energiespektrum vom Energietransport in Nanoröhren
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Dreidimensionales Energiespektrum vom Energietransport in Nanoröhren (Bild: Stefan Mueller)

In der Dimension von Nanometern gelten teilweise andere Gesetze – auch beim Fluss von Energie in Nanoröhren. Um diesen zu untersuchen, haben Forscher der Universität in Würzburg neue spektroskopische Methoden entwickelt, die jene winzigen Energieflüsse sichtbar machen. Dies könnte z.B. bei der Verbesserung von Photovoltaik-Technik helfen.

Würzburg – Pflanzen und Bakterien machen es vor: Sie können die Energie des Sonnenlichts mit so genannten Sammelantennen einfangen und gezielt in ein Reaktionszentrum überführen. Energie auf kleinstem Raum möglichst zielgerichtet und effizient zu transportieren – dieses Kunststück ist auch für den Menschen interessant. Wenn er es perfekt beherrschen würde, könnte er die Photovoltaik und die Opto-Elektronik deutlich verbessern.

Aber wie lässt sich der Fluss der Energie beobachten? Damit befasst sich die Gruppe von Tobias Brixner am Institut für Physikalische und Theoretische Chemie der Julius-Maximilians-Universität (JMU) Würzburg. Das Team hat jetzt zwei neue spektroskopische Methoden vorgestellt, mit denen sich der Energietransport auf der Nanoskala beobachten lässt. Dem JMU-Professor zufolge liefern die neuen Erkenntnisse wertvolle Informationen für das Design von künstlichen Lichtsammelantennen.

Den Energiefluss genau verfolgt

Den Forschern ist es mit den neuen Methoden gelungen, den Energietransport in doppelwandigen Nanoröhren aus Tausenden von Farbstoffmolekülen zu entschlüsseln. Diese winzigen Röhren dienen als Modell für die Lichtsammelantennen von photosynthetisch aktiven Bakterien.

Mithilfe der neu entwickelten „Exciton-Exciton-Interaction-Two-Dimensional“-Spektroskopie (EEI2D-Spektroskopie) zeigten die Wissenschaftler, dass die energetischen Anregungen von der äußeren zur inneren Wand der Röhren transportiert werden – jedenfalls bei geringen Lichtintensitäten. Bei hohen Intensitäten dagegen bewegen sich die Anregungen nur auf der äußeren Wand entlang. Treffen dort zwei Anregungen aufeinander, verschwindet eine von ihnen. „Dieser seit längerem bekannte Effekt lässt sich mit unserer Methode erstmals direkt sichtbar machen“, sagt Brixner.

Spektroskopie auf der Beschleunigungsspur

Neben der EEI2D-Spektroskopie stellten die Wissenschaftler einen zweiten neuen Ansatz zur Messung von Energieflüssen vor. Damit steigerten sie nach eigenen Angaben die Geschwindigkeit der Datenaufnahme gegenüber dem Stand der Technik deutlich. Es gelang, innerhalb von nur acht Minuten, bis zu 15 verschiedene 3D-Spektren gleichzeitig in einem einzigen Experiment zu messen. Dagegen benötigt man mit traditionellen Verfahren typischerweise mehrere Stunden für nur ein einziges Spektrum.

Grundlage für die Messungen kohärenter Spektren über drei Frequenzdimensionen ist eine schnelle Methode, die zeitliche Abfolge von ultrakurzen Laserpulsen zu variieren. „Die Erweiterung von 2D- auf 3D-Frequenzanalyse und die Erhöhung der Zahl der Licht-Materie-Wechselwirkungen von den in der Literatur üblichen vier auf nun sechs ermöglicht detaillierte Einblicke in die Dynamik hoch angeregter Zustände“, sagt Brixner.

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Originalpublikationen:

B. Kriete, J. Lüttig, T. Kunsel, P. Malý, T. L. C. Jansen, J. Knoester, T. Brixner, and M. S. Pshenichnikov: Interplay between structural hierarchy and exciton diffusion in artificial light harvesting, Nature Communications volume 10, Article number: 4615 (2019); DOI: 10.1038/s41467-019-12345-9

S. Mueller, J. Lüttig, P. Malý, L. Ji, J. Han, M. Moos, T. B. Marder, U. H. F. Bunz, A. Dreuw, C. Lambert, and T. Brixner: Rapid multiple‐quantum three‐dimensional fluorescence spectroscopy disentangles quantum pathways, Nature Communications volume 10, Article number: 4735 (2019); DOI: 10.1038/s41467-019-12602-x

* R. Emmerich, Julius-Maximilians- Universität Würzburg, 97070 Würzburg

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