Abbildung von Exzitonen in Einzelmolekülen
Exzitonen – gebundene Elektron-Loch-Paare in Molekülen – stehen im Zentrum zahlreicher ultraschneller Prozesse in der Natur, wie beispielsweise dem Ladungs- und Energietransfer in photosynthetischen Lichtsammelkomplexen. Experimente in der Volumenphase liefern ein auf das Ensemble gemitteltes Bild der Exzitondynamik, bei dem sowohl die quantendynamischen Eigenschaften der Exzitonen auf atomarer Ebene als auch die intermolekularen Wechselwirkungen verwischt werden. Durch die Durchführung von Exziton-Wellenpaket-Interferometrie auf Einzelmolekülebene ist es Forschern des Max-Planck-Instituts für Festkörperforschung (MPI-FKF), der Università della Calabria und der Universidad Autónoma de Madrid nun gelungen, die Eigenschaften der Exzitonendynamik in Molekülen auf atomarer Ebene zu erfassen und zu zeigen, wie dunkle und helle Exzitonen in wechselwirkenden Molekülen entstehen.
Scanning tunneling microscopy (STM) as a probe for excitons dynamics
Das Bestreben, die durch Licht induzierte Exzitonendynamik in einzelnen Molekülen zu verfolgen und zu steuern, besteht schon seit langem, da dies der Schlüssel zum Verständnis zahlreicher ultraschneller Prozesse in der Natur ist, z. B. der Energieumwandlung und des Ladungstransfers in photosynthetischen Systemen. Ultraschnelle Experimente, die in der Volumenphase durchgeführt werden, liefern eine ensemble-gemittelte Sicht auf die molekulare Exzitonendynamik, bei der mehrere entscheidende Faktoren, die diese Dynamik beeinflussen – wie elektronische Inhomogenitäten innerhalb eines einzelnen Moleküls und intermolekulare Wechselwirkungen – verwischt werden. Die Fähigkeit, die molekulare Exzitonendynamik direkt auf ihrer intrinsischen Längenskala (~ Ångström-Skala) und Zeitskala (~ Femtosekunden) zu beobachten, stellt bis heute eine Herausforderung dar.
Die Kombination der Rastertunnelmikroskopie (STM) mit ultrakurzen Lichtimpulsen bietet eine einzigartige Möglichkeit, die ultraschnelle Exzitonendynamik in einzelnen Molekülen auf Orbitalebene direkt sichtbar zu machen. Mithilfe eines solchen Quantenmikroskops, gekoppelt mit einer Folge von zwei ultrakurzen Impulsen, wurden die Exziton-Wellenfunktionen in einzelnen komplexen organischen Molekülen mittels Wellenpaket-Interferometrie verfolgt. Die Erzeugung atomar lokalisierter Photoströme in einzelnen Molekülen ermöglichte eine orbitalaufgelöste Abbildung und die Untersuchung von Exziton-Kohärenzen.
Im Gegensatz zu räumlich unaufgelösten Messungen führen intermolekulare Wechselwirkungen in molekularen Dimeren zu lokalen Kohärenzen, an denen sowohl helle als auch dunkle Zustände beteiligt sind, die durch Veränderung der Position der STM-Nanospitze über den Molekülen selektiv angeregt und auf atomarer Ebene untersucht wurden. Die Exziton-Kohärenzzeiten in gekoppelten Molekülen sind zustandsabhängig und kürzer als bei isolierten Einzelmolekülen, was die Bedeutung intermolekularer Wechselwirkungen für die Exzitonendynamik unterstreicht, die bisher nicht untersucht werden konnten. Darüber hinaus wird die Untersuchung der molekularen dunklen Zustände oft dadurch erschwert, dass externe elektrische oder magnetische Felder erforderlich sind, um deren Vermischung mit den hellen Zuständen zu erzwingen; im atomistischen Nahfeld der Nanospitze sind sie jedoch leicht zugänglich und ihre Dynamik kann untersucht werden.
Die orbitalaufgelöste Abbildung elektronischer Kohärenzen wird dazu beitragen, die seit langem andauernde Debatte über die Rolle der Quantenkohärenz bei der Photosynthese zu klären, indem sie eine direkte Visualisierung dieser grundlegenden Prozesse ermöglicht. Künstliche Donor-Akzeptor-Systeme und Molekülketten lassen sich im Rastertunnelmikroskop (STM) mittels Spitzenmanipulationstechniken realisieren, und die in der vorliegenden Arbeit demonstrierte raum- und zeitaufgelöste Orbitalabbildung könnte zur Klärung dieser Fragen herangezogen werden.
