В новом методе лазерные импульсы разной мощности (зеленые) комбинируются таким образом, что можно выделить одиночное возбуждение (синий), двойное возбуждение (красный) и тройное возбуждение (желтый), например, в биологических светособирающих комплексах.
Авторы и права: Джулиан Люттиг, Вюрцбургский университет.

Создание первого лазера в 1960 году положило начало коммерческим применениям света, которые стали неотъемлемой частью нашей повседневной жизни. В то же время эта разработка открыла научную область лазерной спектроскопии — метода, занимающего центральное место в анализе материалов и изучении фундаментальных физических явлений.

Однако, несмотря на все успехи, исследовательские группы с 1970-х годов боролись с проблемой, заключающейся в том, что лазер, падающий на образец, может возбудить его не один раз, а несколько раз за эксперимент. В этом случае результаты измерения одиночного возбуждения и множественных возбуждений перекрываются и обычно не могут быть разделены, что затрудняет понимание материала.

Чтобы исправить это, мощность лазера обычно уменьшают до такой степени, что множественные возбуждения менее вероятны, чем одиночные возбуждения. Однако их нельзя полностью избежать, и поэтому они могут привести к ошибочной интерпретации данных. Даже когда предметом исследования являются множественные возбуждения, все же трудно различить два, три, четыре и даже большее число возбуждений.

Сложная проблема с простым решением
Группа физиков и физико-химиков из Вюрцбургского университета Юлиуса-Максимилиана (JMU) и Университета Оттавы (Канада) решила эту давнюю проблему. Они представляют свой метод в текущем выпуске журнала Nature. В эксперименте, проведенном в группе вюрцбургского профессора Тобиаса Брикснера, исследователи использовали распространенный метод «переходного поглощения» для отслеживания очень быстрых изменений в различных материалах, происходящих за миллионные доли секунды.

В то время как стандартный метод использует одну мощность лазера, исследователи использовали несколько разных мощностей и объединили данные в соответствии с недавно полученной формулой. Таким образом, они смогли систематически разделить эффекты от однократного до шестикратного возбуждения.

«Не так давно я и подумать не мог, что такое различие вообще возможно, — говорит Брикснер, — особенно с такой простой процедурой, которую любая спектроскопическая исследовательская группа может внедрить и использовать без особых дополнительных усилий».

Однако получение «рецепта» было далеко не простым и требовало глубокого анализа. Теоретик и соавтор профессор Джейкоб Крич из Оттавского университета объясняет: «Взаимодействие света и материи настолько богато, и мы продемонстрировали красивую структуру, скрывающуюся внутри него. Тот факт, что этот метод работает практически для любого образца, который вы хотите изучить действительно удивил всех нас».

Приложения от фотосинтеза до материаловедения
Новый метод имеет широкий спектр потенциальных применений. Первый автор Павел Малы, который был научным сотрудником Брикснера во время исследования, а сейчас является исследователем в Карловом университете в Праге, объясняет: «Разделение сигналов от одиночных и множественных возбуждений особенно полезно для больших систем с плотно упакованным светом, такие как природные фотосинтетические комплексы или органические материалы».

В будущем авторы планируют расширить метод, чтобы выяснить, например, перенос энергии в новых фотогальванических материалах.