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Wohlleben, Wendel (2003): Femtosekunden-Spektroskopie biologischer Systeme mittels kohärenter Kontrolle. Dissertation, LMU München: Faculty of Physics
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Abstract

This doctoral thesis presents new approaches for the characterisation of ultrafast energy flow in complex systems, based on concepts of coherent control. By initiating a photoreaction with femtosecond pulses whose temporal phase and amplitude are shaped in such a manner that specific molecular vibrations and states are addressed, the energy flow can be steered at will. The comparison between the ensuing energy flow patterns following shaped and unshaped excitation pulses constitutes a differential measurement of the function of the controlled vibrations and states within the photoreaction. Coherent control as a spectroscopic tool is first applied to biological systems, specifically the light harvesting complex LH2 from the photosynthetic purple bacterium Rhodopseudomonas acidophila, and the isolated carotenoid donor of the same complex. The pump-probe method using shaped excitation pulses is shown to be successful for the first time in controlling the natural function of a biological system, namely the flow of excitation energy in the complex network of states in LH2. By means of a closed-loop optimisation of parametrised excitations, a bending mode in the carotenoid donor can be identified as being responsible for steering the energy flow. This bu vibrational mode couples the carotenoid S2-S1 states; its frequency is determined to be 160±25cm-1. Furthermore the deactivation of the carotenoid S2 state in LH2 and in solution is studied with pump-probe and pump-deplete-probe spectroscopy. Here it is shown that there exists an alternative singlet state S*T (1Bu-) involved in the deactivation process, though only in LH2. Its function as a precursor of ultrafast triplet population and as a donor for photosynthetic energy transfer is characterised with a novel evolutionary target analysis of conventional pump-probe spectra. Secondly, coherent control as a measurement technique is applied to another extremely complex system, in this case a material dominated by non-linear interactions with instantaneous dynamics: Propagation of femtosecond pulses in optical fibres that are only a few micrometers in diameter to generate a supercontinuum of optical frequencies. Here shaped pump pulses succeed in resolving for the first time the sequential steps leading to the enormous spectral broadening. Open-loop variations of precompression allows the evolution and fission of optical solitons to be followed, while closed-loop optimisations render observable the coupling of solitons with phase-matched visible frequencies. On atoms, finally, open-loop control of interfering pathways from the ground to the excited state by application of strongly modulated spectra seeks to establish a direct link between coherent control experiments and theory. The novel phenomenon of a Fresnel zone plate in the time domain is first developed in theory and then successfully realised in experiment.

Abstract

Die vorliegende Dissertation beschreitet neue Wege zur Charakterisierung des ultraschnellen Energieflusses in komplexen Systemen, indem Konzepte der kohärenten Kontrolle als neuartige Untersuchungsmethode in die Femtosekunden-Spektroskopie eingeführt werden. Die Anregung einer Photoreaktion mit Femtosekunden-Impulsen, deren zeitliche Phase und Amplitude derart geformt ist, daß spezifische Schwingungen und Zustände angesprochen werden, bewirkt die gezielte Steuerung des Energieflusses. Die Unterschiede des Energieflusses nach geformter oder ungeformter Anregung erlauben eine differentielle Messung der Funktion der kontrollierten Schwingungen und Zustände innerhalb der Photoreaktion. Die kohärente Kontrolle als Werkzeug der Spektroskopie wird einerseits an biologischen Systemen angewandt, dem Lichtsammelkomplex LH2 aus Rhodopseudomonas acidophila, einem photosynthetischen Purpurbakterium, und am Carotinoid als isolierten Donor des Komplexes. Es gelingt mit der spektroskopischen Methode geformter-Pump-Probe erstmals, die natürliche Funktion eines biologischen Systems, den Fluß der Anregungsenergie im komplexen Netzwerk von Zuständen in LH2, zu kontrollieren. Mit Hilfe der closed-loop Optimierung parametrisierter Anregungen kann eine Biegeschwingung im Carotinoid als verantwortlich für die Steuerung des Energieflusses identifiziert werden. Diese Schwingung koppelt durch ihre bu Symmetrie die Carotinoid S2-S1 Zustände und konnte zu 160±25cm-1 bestimmt werden. Mit Pump-Probe und Pump-deplete-probe Spektroskopie an der Desaktivierung von Carotinoid S2 in LH2 und in Lösung wird die Existenz eines alternativen Singulettzustands S*T (1Bu-) bewiesen, der nur in LH2 aktiv an der Desaktivierung beteiligt ist. Seine Funktion als Zwischenzustand ultraschneller Besetzung von Tripletts und als Donor des photosynthetischen Energietransfers kann mit einer neuartigen evolutionären Target-Analyse von konventionellen Pump-Probe Spektren charakterisiert werden. Die kohärente Steuerung als Meßmethode wird andererseits am gegensätzlichen Extrem eines komplexen Systems angewandt, das durch eine nichtlineare statt linearer Wechselwirkung beherrscht wird, aber dafür eine instantane und nicht molekulare Dynamik zeigt: Die Erzeugung eines Superkontinuums aus Femtosekunden-Impulsen in optischen Fasern mit wenigen Mikrometern Durchmesser. Hier können mittels geformter Pump-Impulse erstmals die einzelnen Schritte der extremen spektralen Verbreiterung aufgelöst werden: Mit der open-loop Variation der Vorkompression läßt sich die Bildung und Spaltung optischer Solitonen verfolgen, und mit closed-loop Optimierungen wird deren Kopplung mit phasenangepaßten sichtbaren Frequenzen direkt beobachtbar. An Atomen wird schließlich eine mögliche direkte Verbindung der kohärenten Kontrolle zu theoretischen Rechnungen gesucht, indem die open-loop Kontrolle des Weges vom Grund- zum angeregten Zustand durch Anwendung komplex modulierter Spektren demonstriert wird. Es wird das neuartige Phänomen einer Fresnel-Zonenplatte in der Zeit zunächst theoretisch abgeleitet und darauf experimentell erfolgreich realisiert.