En su investigación, Markus Koch, Profesor asociado en el Instituto de Física Experimental de la Universidad Tecnológica de Graz (TU Graz), se concentra en procesos en moléculas y grupos que tienen lugar en escalas de tiempo de picosegundos (10-12 segundos) y femtosegundos (10-15 segundos).

Ahora, Koch y su equipo han logrado un gran avance en la investigación de sistemas moleculares completamente nuevos. Mediante espectroscopia de femtosegundos, que permite medir procesos ultrarrápidos con resolución temporal, Los investigadores de Graz pudieron describir exactamente los procesos en una gota de helio superfluido de aproximadamente cinco nanómetros después de la fotoexcitación de un átomo en su interior.

Este hito en la investigación básica tiene un impacto en la investigación experimental de átomos y moléculas. Markus Koch explica el enfoque pionero:"Nuestro instituto, encabezada por Wolfgang Ernst, tiene una larga tradición en la producción e investigación de nuevos sistemas y agrupaciones en un fluido cuántico de tamaño nanométrico. Ahora estamos combinando esta experiencia con la espectroscopia de femtosegundos. Esto nos permite observar y medir procesos, que se desencadenan por fotoexcitación en tiempo real y para describir su dinámica. Somos el primer grupo de investigación que ha observado esto ". Los resultados de la investigación se acaban de publicar en Comunicaciones de la naturaleza .

Una técnica rica en superlativos

Para investigar este proceso fundamental que tiene lugar en una escala de tiempo ultracorta de solo una billonésima de segundo, el equipo dirigido por Markus Koch aplica espectroscopía de femtosegundos. El método de sonda de bomba de femtosegundos proporciona instantáneas de los movimientos atómicos. Para el experimento, se introduce un solo átomo de indio en una pequeña gota de helio.

El átomo de indio se somete a la excitación de la bomba por medio de un pulso corto y posteriormente transfiere energía al helio circundante. que comienza a oscilar colectivamente. Un segundo destello de luz retardado en el tiempo sondea el sistema para observar la dinámica.

Bernhard Thaler, un doctorado estudiante del Instituto de Física Experimental que participa sustancialmente en la investigación pionera, explica lo que sucede:"Cuando fotoexcitamos el átomo dentro de la gota de helio, su capa de electrones se expande y la burbuja envolvente aumenta dentro de un picosegundo después de la estimulación. Además, observamos que el átomo de indio es expulsado de la gota después de aproximadamente 50 a 60 picosegundos. Pudimos obtener esta percepción mecanicista por primera vez con el experimento de femtosegundos ".

Un proceso caracterizado por superlativos:movimientos ultrarrápidos en escalas de tiempo de femtosegundos dentro de gotitas de helio de tamaño nanométrico (que es menos de una milésima parte del diámetro de un cabello), a una temperatura ultrabaja de 0,4 Kelvin por encima del cero absoluto. El equipo pudo ilustrar este proceso de manera muy clara utilizando un software de simulación.

De la prueba de concepto a la aplicación en moléculas complejas

Con este éxito de investigación, Markus Koch y su equipo lograron demostrar de manera impresionante que el ultrarrápido, Se puede observar y simular la dinámica electrónica y nuclear de las partículas dentro de las gotitas de helio superfluido. Tras el éxito de esta investigación, Markus Koch ya está mirando hacia el futuro. "Hoy dia, todavía estamos experimentando con átomos individuales, "dice Koch, "pero después de esta prueba de concepto, estamos avanzando a pasos agigantados hacia la aplicación de nanogotas de helio para investigar la dinámica en sistemas moleculares frágiles o previamente desconocidos de relevancia tecnológica o biológica".