Em sua pesquisa, Markus Koch, Professor Associado do Instituto de Física Experimental da Universidade de Tecnologia de Graz (TU Graz), concentra-se em processos em moléculas e clusters que ocorrem em escalas de tempo de picossegundos (10-12 segundos) e femtossegundos (10-15 segundos).

Agora, Koch e sua equipe alcançaram um avanço na pesquisa de sistemas moleculares completamente novos. Por meio de espectroscopia de femtossegundo, que permite que processos ultrarrápidos sejam medidos de uma forma resolvida no tempo, os pesquisadores de Graz foram capazes de descrever exatamente os processos em uma gota de hélio superfluido de aproximadamente cinco nanômetros após a fotoexcitação de um átomo em seu interior.

Este marco na pesquisa básica tem impacto na investigação experimental de átomos e moléculas. Markus Koch explica a abordagem pioneira:"Nosso instituto, liderado por Wolfgang Ernst, tem uma longa tradição na produção e investigação de novos sistemas e clusters em um fluido quântico de tamanho nanométrico. Agora estamos combinando essa experiência com a espectroscopia de femtossegundo. Isso nos permite observar e medir processos, que são acionados por fotoexcitação em tempo real e para descrever sua dinâmica. Somos o primeiro grupo de pesquisa a observar isso. "Os resultados da pesquisa acabam de ser publicados em Nature Communications .

Uma técnica rica em superlativos

Para investigar este processo fundamental que ocorre em uma escala de tempo ultracurta de apenas um trilionésimo de segundo, a equipe liderada por Markus Koch aplica espectroscopia de femtosegundo. O método de sonda de bomba de femtossegundo fornece instantâneos de movimentos atômicos. Para o experimento, um único átomo de índio é introduzido em uma minúscula gota de hélio.

O átomo de índio é submetido à excitação da bomba por meio de um pulso curto e, posteriormente, transfere energia para o hélio circundante, que começa a oscilar coletivamente. Um segundo flash de luz com retardo de tempo então testa o sistema para observar a dinâmica.

Bernhard Thaler, um Ph.D. estudante do Instituto de Física Experimental que está substancialmente envolvido na pesquisa inovadora, explica o que acontece:"Quando fotoexcitamos o átomo dentro da gota de hélio, sua camada de elétrons se expande e a bolha envolvente aumenta dentro de um picossegundo após a estimulação. Observamos ainda que o átomo de índio é ejetado da gota após cerca de 50 a 60 picossegundos. Pudemos obter esse insight mecanístico pela primeira vez com o experimento do femtossegundo. "

Um processo caracterizado por superlativos:movimentos ultrarrápidos em escalas de tempo de femtossegundos dentro de gotículas de hélio de tamanho nanométrico (que tem menos de um milésimo do diâmetro de um fio de cabelo), a uma temperatura ultrabaixa de 0,4 Kelvin acima do zero absoluto. A equipe foi capaz de ilustrar esse processo de forma muito clara usando um software de simulação.

Da prova de conceito à aplicação em moléculas complexas

Com o sucesso desta pesquisa, Markus Koch e sua equipe conseguiram provar de forma impressionante que o ultrarrápido, dinâmica eletrônica e nuclear de partículas dentro de gotículas de hélio superfluido pode ser observada e simulada. Após o sucesso desta pesquisa, Markus Koch já está olhando para o futuro. "Hoje, ainda estamos experimentando com átomos individuais, "diz Koch, "mas após esta prova de conceito, estamos avançando em passos gigantescos para a aplicação de nanogotículas de hélio para investigar a dinâmica em sistemas moleculares anteriormente desconhecidos ou frágeis de relevância tecnológica ou biológica."