• search hit 5 of 9
Back to Result List

Analysis and control of light-induced processes in molecules: Electron and nuclear quantum dynamics for aspects of stereoisomerism and spectroscopy

Analyse und Kontrolle lichtinduzierter Prozesse in Molekülen: Elektronen- und Kernquantendynamik für Aspekte der Stereoisomerie und Spektroskopie

  • The habilitation thesis covers theoretical investigations on light-induced processes in molecules. The study is focussed on changes of the molecular electronic structure and geometry, caused either by photoexcitation in the event of a spectroscopic analysis, or by a selective control with shaped laser pulses. The applied and developed methods are predominantly based on quantum chemistry as well as on electron and nuclear quantum dynamics, and in parts on molecular dynamics. The studied scientific problems deal with stereoisomerism and the question of how to either switch or distinguish chiral molecules using laser pulses, and with the essentials for the simulation of the spectroscopic response of biochromophores, in order to unravel their photophysics. The accomplished findings not only explain experimental results and extend existing approaches, but also contribute significantly to the basic understanding of the investigated light-driven molecular processes. The main achievements can be divided in three parts: First, a quantum theoryThe habilitation thesis covers theoretical investigations on light-induced processes in molecules. The study is focussed on changes of the molecular electronic structure and geometry, caused either by photoexcitation in the event of a spectroscopic analysis, or by a selective control with shaped laser pulses. The applied and developed methods are predominantly based on quantum chemistry as well as on electron and nuclear quantum dynamics, and in parts on molecular dynamics. The studied scientific problems deal with stereoisomerism and the question of how to either switch or distinguish chiral molecules using laser pulses, and with the essentials for the simulation of the spectroscopic response of biochromophores, in order to unravel their photophysics. The accomplished findings not only explain experimental results and extend existing approaches, but also contribute significantly to the basic understanding of the investigated light-driven molecular processes. The main achievements can be divided in three parts: First, a quantum theory for an enantio- and diastereoselective or, in general, stereoselective laser pulse control was developed and successfully applied to influence the chirality of molecular switches. The proposed axially chiral molecules possess different numbers of "switchable" stable chiral conformations, with one particular switch featuring even a true achiral "off"-state which allows to enantioselectively "turn on" its chirality. Furthermore, surface mounted chiral molecular switches with several well-defined orientations were treated, where a newly devised highly flexible stochastic pulse optimization technique provides high stereoselectivity and efficiency at the same time, even for coupled chirality-changing degrees of freedom. Despite the model character of these studies, the proposed types of chiral molecular switches and, all the more, the developed basic concepts are generally applicable to design laser pulse controlled catalysts for asymmetric synthesis, or to achieve selective changes in the chirality of liquid crystals or in chiroptical nanodevices, implementable in information processing or as data storage. Second, laser-driven electron wavepacket dynamics based on ab initio calculations, namely time-dependent configuration interaction, was extended by the explicit inclusion of magnetic field-magnetic dipole interactions for the simulation of the qualitative and quantitative distinction of enantiomers in mass spectrometry by means of circularly polarized ultrashort laser pulses. The developed approach not only allows to explain the origin of the experimentally observed influence of the pulse duration on the detected circular dichroism in the ion yield, but also to predict laser pulse parameters for an optimal distinction of enantiomers by ultrashort shaped laser pulses. Moreover, these investigations in combination with the previous ones provide a fundamental understanding of the relevance of electric and magnetic interactions between linearly or non-linearly polarized laser pulses and (pro-)chiral molecules for either control by enantioselective excitation or distinction by enantiospecific excitation. Third, for selected light-sensitive biological systems of central importance, like e.g. antenna complexes of photosynthesis, simulations of processes which take place during and after photoexcitation of their chromophores were performed, in order to explain experimental (spectroscopic) findings as well as to understand the underlying photophysical and photochemical principles. In particular, aspects of normal mode mixing due to geometrical changes upon photoexcitation and their impact on (time-dependent) vibronic and resonance Raman spectra, as well as on intramolecular energy redistribution were addressed. In order to explain unresolved experimental findings, a simulation program for the calculation of vibronic and resonance Raman spectra, accounting for changes in both vibrational frequencies and normal modes, was created based on a time-dependent formalism. In addition, the influence of the biochemical environment on the electronic structure of the chromophores was studied by electrostatic interactions and mechanical embedding using hybrid quantum-classical methods. Environmental effects were found to be of importance, in particular, for the excitonic coupling of chromophores in light-harvesting complex II. Although the simulations for such highly complex systems are still restricted by various approximations, the improved approaches and obtained results have proven to be important contributions for a better understanding of light-induced processes in biosystems which also adds to efforts of their artificial reproduction.show moreshow less
  • Die Habilitationsschrift behandelt theoretische Untersuchungen von durch Licht ausgelösten Prozessen in Molekülen. Der Schwerpunkt liegt dabei auf Veränderungen in der Elektronenstruktur und der Geometrie der Moleküle, die durch Bestrahlung mit Licht entweder bei einer spektroskopischen Untersuchung oder bei gezielter Kontrolle durch geformte Laserpulse herbeigeführt werden. Um die dabei auftretende Elektronen- und Kerndynamik zu simulieren, wurden vornehmlich quantentheoretische Methoden eingesetzt und weiterentwickelt. Die wissenschaftlichen Fragestellungen beschäftigen sich mit dem gezielten Verändern und dem Erkennen der räumlichen Struktur von Molekülen ohne Drehspiegelachse, der sog. molekularen Chiralität, sowie mit durch Licht eingeleiteten Prozessen in biologisch relevanten Pigmenten auf sehr kurzen Zeitskalen. Die entwickelten Ansätze und gewonnenen Erkenntnisse lassen sich drei Haupterfolge unterteilen: Erstens gelang die Entwicklung einer generellen Kontrolltheorie für das Ein- und Umschalten von molekularer Chiralität mitDie Habilitationsschrift behandelt theoretische Untersuchungen von durch Licht ausgelösten Prozessen in Molekülen. Der Schwerpunkt liegt dabei auf Veränderungen in der Elektronenstruktur und der Geometrie der Moleküle, die durch Bestrahlung mit Licht entweder bei einer spektroskopischen Untersuchung oder bei gezielter Kontrolle durch geformte Laserpulse herbeigeführt werden. Um die dabei auftretende Elektronen- und Kerndynamik zu simulieren, wurden vornehmlich quantentheoretische Methoden eingesetzt und weiterentwickelt. Die wissenschaftlichen Fragestellungen beschäftigen sich mit dem gezielten Verändern und dem Erkennen der räumlichen Struktur von Molekülen ohne Drehspiegelachse, der sog. molekularen Chiralität, sowie mit durch Licht eingeleiteten Prozessen in biologisch relevanten Pigmenten auf sehr kurzen Zeitskalen. Die entwickelten Ansätze und gewonnenen Erkenntnisse lassen sich drei Haupterfolge unterteilen: Erstens gelang die Entwicklung einer generellen Kontrolltheorie für das Ein- und Umschalten von molekularer Chiralität mit geformten Laserpulsen. Dabei wird die räumliche Struktur der vorgeschlagenen molekularen Schalter zwischen ihren stabilen sog. stereoisomeren Formen selektiv geändert, was sich auf ihre optischen und chemischen Eigenschaften auswirkt. Für komplexere Bedingungen, wie z.B. auf einer Oberfläche verankerten molekularen Schaltern verschiedener Orientierung, wurde eine neue Pulsoptimierungsmethode basierend auf Wahrscheinlichkeiten und Statistik entwickelt. Solche laserpulskontrollierten chiralen molekularen Schalter hofft man u.a. in der Nanotechnologie zum Einsatz zu bringen, wo sie z.B. als Informationsspeicher dienen könnten. Zweitens konnte geklärt werden, welche die wesentlichen Einflüsse sind, die das Erkennen von sog. Enantiomeren, das sind spiegelbildliche Moleküle von entgegengesetzter Chiralität, nach Ionisierung durch ultrakurze zirkular polarisierte Laserpulse ermöglichen. Diese Form des sog. Zirkulardichroismus in der Ionenausbeute erlaubt die quantitative und qualitative Unterscheidung von Enantiomeren in der Massenspektrometrie. Durch Simulation der Elektronendynamik während der Laseranregung konnte u.a. erstmals gezeigt werden, dass neben der Zirkularpolarisation der Laserpulse vor allem die schwachen magnetischen Wechselwirkungen für die Unterscheidung entscheidend sind. Drittens wurden die Spektren von in der Natur vorkommenden Pigmenten simuliert, welche u.a. an wichtigen biologischen Funktionen, wie dem Sammeln von Sonnenenergie für die Photosynthese, beteiligt sind. Die Lichtanregung führt dabei zu einer Veränderung der Elektronenstruktur und Geometrie der Pigmente, wobei letzteres wichtige Konsequenzen für die Verteilung der Energie auf die spektroskopisch beobachteten Molekülschwingungen mit sich bringen. Auch der wichtige Einfluss der biochemischen Umgebung auf die Elektronenstruktur der Pigmente bzw. den Energietransfer zwischen solchen wurde untersucht. Neben der Klärung experimenteller Ergebnisse ermöglichen die Untersuchungen neue Einblicke in die fundamentalen Prozesse kurz nach der Lichtanregung -- Erkenntnisse, die auch für die technische Nachahmung der biologischen Funktionen von Bedeutung sein können.show moreshow less

Download full text files

Export metadata

Additional Services

Share in Twitter Search Google Scholar Statistics
Metadaten
Author:Dominik Kröner
URN:urn:nbn:de:kobv:517-opus-70477
Advisor:Peter Saalfrank
Document Type:Habilitation
Language:English
Year of Completion:2013
Publishing Institution:Universität Potsdam
Date of final exam:2014/02/25
Release Date:2014/05/09
Tag:Biochromophore; Elektronendynamik; Laserpulskontrolle; chirale Erkennung; chirale Schalter
biochromophores; chiral recognition; chiral switches; electron dynamics; laser pulse control
RVK - Regensburg Classification:VE 5070
RVK - Regensburg Classification:VE 8707
RVK - Regensburg Classification:VE 9857
Organizational units:Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät / Institut für Chemie
Dewey Decimal Classification:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 54 Chemie / 540 Chemie und zugeordnete Wissenschaften
Licence (German):License LogoKeine Nutzungslizenz vergeben - es gilt das deutsche Urheberrecht