Limitations of Superfluid Helium Droplets as Host System Revealed by Electronic Spectroscopy of Embedded Molecules

URN to cite this document:: urn:nbn:de:bvb:355-epub-333620
DOI to cite this document:: 10.5283/epub.33362

Premke, Tobias

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Date of publication of this fulltext: 25 Apr 2016 12:21

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Item type:	Thesis of the University of Regensburg (PhD)
Open Access Type:	Primary Publication
Date:	25 April 2016
Referee:	Prof. Dr. Alkwin Slenczka
Date of exam:	19 February 2016
Institutions:	Chemistry and Pharmacy > Institut für Physikalische und Theoretische Chemie > Chair of Chemistry III - Physical Chemistry (Molecular Spectroscopy and Photochemistry) > Prof. Dr. Alkwin Slenczka
Keywords:	superfluid helium droplets, electronic spectroscopy, iodine, phthalocyanine, Spektroskopie, Superflüssige Heliumtröpfchen
Dewey Decimal Classification:	500 Science > 530 Physics 500 Science > 540 Chemistry & allied sciences
Status:	Published
Refereed:	Yes, this version has been refereed
Created at the University of Regensburg:	Yes
Item ID:	33362

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Abstract (English)

Abstract (English)

Superfluid helium nanodroplets serve a unique cryogenic host system ideal to prepare cold molecules and clusters. Structures as well as dynamic processes can be examined by means of high resolution spectroscopy. Dopant spectra are accompanied by helium-induced spectroscopic features which reveal information on the dopant to helium interaction. For this reason the experimental research focuses on the investigation of such helium-induced effects in order to provide new information on the microsolvation inside the droplets.
Since the quantitative understanding of helium-induced spectral features is essential to interpret molecular spectra recorded in helium droplets, this study contributes further experimental details on microsolvation in superfluid helium droplets. For this purpose two contrary systems were examined by means of high resolution electronic spectroscopy. The first one, phthalocyanine (Pc), is a planar organic molecule offering a huge and planar surface to the helium atoms and thus, the non-superfluid helium solvation layer can form different structures. The second system is iodine and in contrast to Pc it is of simple molecular shape. That means that in this case different complex structures of the non-superfluid helium solvation layer and the dopant can be expected to be avoided. Thus, both molecules should show clear differences in their microsolvation behavior.

In this work a detailed examination of different spectroscopic properties of phthalocyanine is given by means of fluorescence excitation and dispersed emission spectroscopy. It raises legitimate doubts about the assignment of experimentally observed signals to features predicted by the model of the microsolvation. Even though there are no experimental observations which disprove the empirical model for the solvation in helium droplets, an unambiguous assignment of the helium-induced spectroscopic structures is often not possible.
In the second part of this work, the investigation of the experimental conditions for doping helium droplets with iodine molecules is presented. It clearly reveals the successful doping of the droplet and provides strong evidence that single iodine doping is favoured at the parameters determined in this project. Apparently, the unexpected result of no iodine signal in the excitation spectrum reveals unknown features accompanying electronic excitation of iodine molecules in helium droplets.

All these results presented in this work show that the microsolvation inside superfluid helium droplets is still not completely understood. The empirical model of a non-superfluid helium layer around the chromophore can explain most phenomena. But there are still plenty of questions that cannot be answered yet.

Translation of the abstract (German)

Superflüssige Helium-Nanotropfen stellen eine einzigartige cryogene Matrix für kalte Moleküle und Cluster dar. Mittels hochaufgelöster Spektroskopie können Strukturen sowie dynamische Prozesse untersucht werden. Dabei zeigen Spektren von dotierten Substanzen heliuminduzierte spektroskopische Strukturen, welche Informationen über die Wechselwirkungen mit Heliumatomen enthalten. Aus diesem Grund konzentriert sich die experimentelle Untersuchung auf solche heliuminduzierte Effekte, um neue Einblicke in die Mikrosolvation der Heliumtröpfchen zu erhalten.
Da ein quantitatives Verständnis der heliuminduzierten spektralen Beiträge unerlässlich für die Interpretation molekularer Spektren in Heliumtröpfchen ist, trägt diese Arbeit neue experimentielle Beobachtungen in Bezug auf die Mikrosolvation in superflüssigen Heliumtröpfchen bei. Zu diesem Zweck wurden zwei unterschiedliche Systeme mithilfe hochauflösender elektronischer Spektroskopie untersucht. Bei dem ersten System, dem Phthalocyanin (Pc), handelt es sich um ein planares organisches Molekül mit großer ebener Oberfläche. Auf dieser können die nicht-superfluiden Heliumatome unterschiedliche Solvatschichten ausbilden. Bei dem zweiten System handelt es sich um Iod und im Gegensatz zu Pc ist dies ein Molekül von einfacher Struktur. Dadurch sollten in diesem Fall unterschiedliche Solvatstrukturen der nicht-superfluiden Heliumhülle nicht zu erwarten sein. Demnach sollten sich beide Systeme in ihrem Mikrosolvationsverhalten unterscheiden.

Diese Arbeit stellt eine detailierte Untersuchung verschiedener spektroskopischer Eigenschaften von Phthalocyanin mittels Fluoreszenzanregungsspektroskopie sowie dispergierter Emission zur Verfügung. Es zeigt sich, dass berechtigte Zweifel bezüglich der Zuordnung von experimentell beobachteten Signalen zu Beiträgen entstehen, welche durch das Modell der Mikrosolvation vorhergesagt werden. Obwohl es keine experimentelle Ergebnisse gibt, welche das empirische Modell direkt widerlegen, so ist doch die eindeutige Zuordnung von heliuminduzierten Strukturen oft nicht möglich.
Im zweiten Teil dieser Arbeit wurden die experimentellen Bedingungen ermittelt, um Heliumtröpfchen mit Iod zu dotieren. Dabei konnte Iod zweifelsfrei in den Tröpfchen nachgewiesen werden und die Ergebnisse legen die Vermutung nahe, dass unter diesen Bedinungen die Aufnahme von einem Iodmolekül bevorzugt stattfindet. Das unerwartete Ausbleiben jegliches Iodsignals weist dabei offenbar auf unbekannte Prozesse hin, welche die elektronische Anregung von Iodmolekülen in Heliumtropfen begleiten.

Die gesammelten Ergebnisse in dieser Arbeit zeigen, dass die Mikrosolvation in superflüssigen Heliumtropfen immer noch nicht vollständig geklärt ist. Das empirische Modell der nichtsuperfluiden Heliumhülle um den Chromophor mag die meisten Phänomene erklären. Jedoch gibt es hierzu immer noch viele offene Fragen, welche es noch durch weitere Experimente aufzuklären gilt.

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