Ultraschnelle Dynamik in dotierten und reinen Wasserclustern

Abstract

In der hier vorgestellten Arbeit wird die Dynamik des ersten elektronisch angeregten Zustands von zwei Arten von Wasserclustern untersucht: von mit einem Natriumatom dotierten Clustern und reinen Wasserclustern. Die Lebensdauer der Besetzung des angeregten Zustands von Natrium-Wasserclustern mit bis zu 40 Wassermolekülen konnte aus zeitaufgelösten Ionenspektren bestimmt werden. Die Cluster wurden mit Impulsen eines Femtosekundenlasers bei Impulsdauern von sub-40 fs und 1,6 eV Photonenergie angeregt und mit der zweiten Harmonischen des Lasers ionisiert. Es ergaben sich Lebensdauern von 1,2 ns für das Dimer und von bis zu 100 fs für größere Cluster. Diese schnellen strahlungslosen Zerfallsprozesse können durch die interne Konversion des angeregten Zustands in einen vibrationsangeregten Grundzustand bei konischer Überschneidung der Potenzialflächen der Zustände verursacht werden. Durch den Vergleich der Lebensdauern von Clustern mit schwerem und normalem Wasser können Hinweise auf die am Konversionsprozess beteiligten Schwingungsmoden von Wasser gefunden werden. In der Arbeit wird zusätzlich zur Dynamik der Population des angeregten Zustands auch die Energetik des angeregten Zustandes untersucht. Durch aufgenommene massenselektive Elektronenspektren der Cluster konnte so ein erster Einblick in die Dynamik der Energien des angeregten Zustands während des Konversionsprozesses gewonnen werden. Durch VUV-Laserimpulse mit einer Photonenergie von 7,8 eV konnte die Dynamik des angeregten Zustands eines zweiten Systems untersucht werden, die von Wasserclustern. Die Besetzung des angeregten Zustands wurde mit zeitaufgelöster Ionenspektroskopie untersucht. Es konnten für Cluster der Größe 1 bis 10 drei Populationen mit unterschiedlichen Zerfallsraten identifiziert werden. Die zweite Population hat bei Clustern eine Zerfallszeit von 20 fs bis 30 fs, die dritte zeigt eine Zerfallszeit von 50 fs bis 150 fs. Die Ergebnisse sind für Monomer und Dimer in guter Übereinstimmung mit Rechnungen. Um einen weiteren Einblick in die Dynamik des Wasserstofftransfers und die Abspaltung der OH-Gruppe im angeregten Cluster zu bekommen, wurden deuterierte Cluster untersucht.

In this work the dynamics of the first electronically excited state of two kinds of water clusters is shown: clusters doped with one sodium atom and pure water clusters. The lifetime of the excited state population of sodium water clusters having up to 40 water molecules was investigated by measuring time- resolved ion spectra. The clusters were excited using sub-40 fs laser pulses having 1.6 eV photon energy and were ionized using the second harmonic of the laser. Lifetimes of 1.2 ns for the dimer and down to 100 fs for larger clusters could be derived from the spectra. The fast, radiation-free transition can be caused by an internal conversion of the excited state to a vibrationally excited ground state on a conical intersection of the two potential surfaces. By comparing the lifetime of clusters composed of heavy and normal water indications for the modes of vibrations were found, which are involved in the conversion process. In addition to the dynamics of the excited state population the energetics of the excited state during conversion was investigated. By means of VUV laser pulses having 7.8 eV photon energy the excited state dynamics for a second system, pure water clusters, were investigated. The decay of the excited state population could be investigated by time-resolved ion spectroscopy. In the ion signal of the cluster sizes n = 1 to 10 three populations with different decay rates were identified, the second decay time amounting to 20 fs - 30 fs, the third one to 50 fs - 150 fs. The results for monomer and dimer are in good agreement with calculations. Deuterated water clusters were investigated in order to get further insight in the dynamics of the hydrogen transfer and separation of the OH group in excited water clusters.