Fyzici našli nový způsob, jak oddělit excitace

Sestrojení prvního laseru v roce 1960 umožnilo komerční využití světla, které se stalo nedílnou součástí našeho každodenního života. Zároveň tento vývoj otevřel i nový vědecký obor laserové spektroskopie – techniky, která má klíčovou roli při analýze materiálů a studiu základních fyzikálních jevů.

Navzdory těmto úspěchům se výzkumné týmy od 70. let 20. století potýkaly s problémem několikanásobné excitace. Laser svítící na vzorek totiž může zkoumaný materiál excitovat nejen jednou, ale i několikrát za experiment. V takovém případě se výsledky měření z jedné a vícenásobné excitace překrývají a obvykle je nelze oddělit, což komplikuje výzkum.

Tento problém se dá částečně potlačit snížením výkonu laseru do té míry, aby vícenásobné excitace byly méně pravděpodobné než excitace jednotlivé. Vícenásobným excitacím se však nelze vyhnout úplně, což může vést k chybné interpretaci dat. Přestože jsou vícenásobné excitace samy o sobě předmětem zkoumání, je stále obtížné rozlišit dvě, tři, čtyři nebo i více excitací.

Složitý problém s jednoduchým řešením

Tým fyziků a fyzikálních chemiků z Julius-Maximilians-Universität Würzburg (Německo), University of Ottawa (Kanada) a Univerzity Karlovy nyní tento desítky let starý problém vyřešil a svou metodu představil v aktuálním čísle časopisu Nature. V experimentu, který provedla skupina würzburgského profesora Tobiase Brixnera, vědci použili běžnou metodu „excitace a sondování – transientní absorpce“ ke sledování velmi rychlých změn v různých materiálech, které se odehrávají v miliontinách miliontiny sekundy.

Zatímco standardní metoda využívá jeden výkon laseru, výzkumníci použili několik různých výkonů a data zkombinovali podle nově odvozeného vzorce. Tímto způsobem se jim podařilo systematicky oddělit účinky od jednorázové až po šestinásobnou excitaci.

„Ještě donedávna by mě ani nenapadlo, že je takové rozlišení vůbec možné, zvláště s použitím tak jednoduchého postupu, který může bez většího úsilí zavést a používat každá spektroskopická výzkumná skupina,“ říká profesor Brixner.

Najít takový „recept“ však nebylo nic jednoduchého a vyžadovalo to hloubkovou analýzu. Teoretik a spolupracovník profesor Jacob Krich z ottawské univerzity k tomu dodává: „Interakce světla a hmoty je velmi bohatá a my jsme prokázali krásnou strukturu, která se v ní skrývá. Skutečnost, že tato metoda funguje prakticky pro jakýkoli vzorek, který chcete studovat, nás všechny opravdu překvapila.“

Aplikace od fotosyntézy po materiálovou vědu

Nová metoda má širokou škálu potenciálních aplikací. Hlavní autor studie dr. Pavel Malý, který byl v době výzkumu Brixnerovým postdoktorandem a nyní působí jako vědecký pracovník na Fyzikálním ústavu Univerzity Karlovy, upřesňuje: „Oddělení signálů z jednotlivých a vícenásobných excitací je užitečné zejména pro velké systémy s hustě uspořádanými absorbéry světla, jako jsou přírodní fotosyntetické komplexy nebo organické materiály.“

V budoucnu autoři plánují rozšířit metodu například na objasnění transportu energie v nových fotovoltaických materiálech.