Een dubbelspleet experiment in een molecuul
Een nieuw doorgeefluikmechanisme zal een grote rol gaan spelen in het beheersen van energiestromen in een molecuul. Onderzoekers van de Stichting FOM, Universiteit van Amsterdam en het Massachusetts Institute publiceren hun bevindingen op 28 januari in Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS).
Dubbelspleet experimenten worden traditioneel geassocieerd met licht en andere kwantumdeeltjes. De onderzoekers hebben het klassieke dubbelspleet experiment van Young nu ook uitgevoerd met stralingsloos verval in een molecuul. De onderzoekers verwachten dat het door hen ontdekte 'dubbele doorgeefluik mechanisme' zal leiden tot nieuwe methodes om energiestromen in een molecuul te kunnen beheersen en manipuleren.
Interferentie tussen golven is een bekend verschijnsel: gooi twee stenen in het water en je ziet dat de watergolven elkaar op bepaalde plekken versterken en op andere juist uitdoven; neem twee muziekinstrumenten die niet goed gestemd zijn en je hoort zwevingen. Zulke interferentiepatronen liggen aan de basis van een aantal beroemde kwantummechanische experimenten waarmee het duale golf- en deeltjeskarakter van licht en andere kwantumdeeltjes is aangetoond. Kwantummechanische interferentie kan in principe gebruikt worden om selectief het verval van elektronisch aangeslagen toestanden in een molecuul te sturen. Hierdoor is het bijvoorbeeld mogelijk om van te voren zelf de uitkomst te bepalen van fotochemische en fotofysische processen zoals fotochemische reacties, de lichtopbrengst van fluorescerende kleurstoffen, en het aandrijven van moleculaire motoren. In de praktijk is deze beïnvloeding niet zo eenvoudig, omdat de precieze details van de onderliggende interferentie mechanismen zelden bekend zijn.
Stralingsloos verval in moleculen
Singlet-triplet intersystem crossing (ISC) is één van die processen waar wetenschappers graag controle over zouden willen hebben. In een molecuul treedt door spin-baan interactie een menging op van de singlet toestand met energetisch lager gelegen triplet toestanden. Je zou kunnen zeggen dat de golffunctie een schizofreen karakter krijgt: het is niet meer een pure singlet of triplet toestand, maar herbergt alle karakters in zich (Figuur 1). Onderzoekers van de groep Moleculaire Fotonica aan de Universiteit van Amsterdam hebben een methode ontwikkeld waarmee de bijdrage van de verschillende singlet en triplet toestanden aan de golffunctie direct bepaald kan worden. In samenwerking met Robert W. Field van het Massachusetts Institute of Technology - de godfather van spectroscopisch onderzoek aan acetyleen - hebben zij deze techniek toegepast om de koppeling van de laagst aangeslagen singlet toestand (S1) met de lager gelegen T1 en T2 triplet toestanden van dit molecuul te onderzoeken.
De gebruikte methode is er op gebaseerd dat bij een gegeven energie elk van de gekoppelde elektronische toestanden een verschillende hoeveelheid trillingsenergie heeft. Deze trillingsenergie blijft min of meer hetzelfde als het molecuul wordt geïoniseerd. Door na ionisatie te meten hoeveel ionen er zijn met een bepaalde hoeveelheid trillingsenergie, kan direct bepaald worden hoeveel de singlet en triplettoestanden aan de golffunctie bijdragen (Figuur 1). Een dergelijke aanpak is door andere onderzoekers in het verleden ook wel geprobeerd, maar leverde toen een incompleet beeld omdat het foton dat gebruikt werd voor ionisatie niet genoeg energie had. De cruciale verbetering die de onderzoekers hebben aangebracht in het experiment is het gebruik van fotonen met een zeer hoge energie (157 nm), afkomstig van een F2 excimeer laser.
Het dubbele doorgeefluik mechanisme
Tot nu toe was het model voor ISC in acetyleen als volgt: de S1 toestand koppelt eerst met de T3 toestand, die vervolgens is gekoppeld aan de T1 and T2 toestanden; de T3 toestand functioneert als het ware als een doorgeefluik van S1 naar T1 en T2. Wanneer echter de excitatie-energie van de aangeslagen toestand systematisch wordt veranderd (Figuur 2), blijkt dat er een minimum optreedt in het T1 en T2 karakter voor energieën waar men op basis van het boven beschreven doorgeefluik-model juist een maximum zou verwachten. De onomstotelijke conclusie die dan ook getrokken moet worden is dat er interferentie optreedt tussen twee paden via verschillende doorgeefluiken die de S1 toestand verbinden met de T1 en T2 toestanden (Figuur 3). Deze experimenten lijken daarmee op het fameuze dubbelspleet experiment van Young: de doorgeefluiken fungeren als de twee spleten die verantwoordelijk zijn voor een interferentiepatroon dat wordt afgetast door de energie ten opzichte van de doorgeefluiken te variëren.
Het dubbele doorgeefluikmechanisme vormt de eerste directe waarneming van interferenties in stralingsloos verval. Deze nieuwe kennis biedt de opwindende mogelijkheid om dit soort processen rationeel te beïnvloeden. Hiervoor kan het indrukwekkende arsenaal aan coherente controle technieken worden ingezet dat in de afgelopen decennia is ontwikkeld
Voor de redactie:
Meer informatie bij prof.dr. Wybren Jan Buma, Universiteit van Amsterdam, telefoon (020) 525 69 73 of dr. Mattijs de Groot, Vrije Universiteit, telefoon (020) 598 78 38.
Referentie:
Het artikel is getiteld 'Interference in acetylene intersystem crossing acts as the molecular analog of Young's double-slit experiment'. De auteurs zijn Mattijs de Groot, Robert W. Field en Wybren Jan Buma. Het artikel wordt op 28 januari 2009 gepubliceerd in de online editie van Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America.