Project

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MULTICROSS

Applicant Lemke Henrik Till
Number 189438
Funding scheme Project funding
Research institution Paul Scherrer Institut
Institution of higher education Paul Scherrer Institute - PSI
Main discipline Physical Chemistry
Start/End 01.10.2020 - 30.09.2024
Approved amount 457'590.00
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All Disciplines (3)

Discipline
Physical Chemistry
Condensed Matter Physics
Theoretical Physics

Keywords (4)

Spin transition; Charge transfer; Complete active space; Free electron laser

Lay Summary (German)

Lead
Bestimmte Molekülkomplexe in Biologie und Chemie können einfallende Lichtenergie in molekül-gebundene Energie umsetzen, und bilden damit oft den Ursprung von wichtigen Prozessen wie Photosynthese oder molekularer Photovoltaik. Das reaktive Zentrum bildet hier meist das gebundene Atom eines Übergangsmetalls, an welchem die Energie ein einfallendes Photons zu einem angeregten elektronischen oder magnetischen Quantenzustand des gesamten Moleküls umgewandelt wird. Bei einer solchen Umwandlung werden in der Regel mehrere ultra-kurzlebige Quantenzustände durchlaufen, die einen komplexen Reaktionspfad bilden von dem Entscheidend die Effektivität der Energieumwandlung abhängt. Wegen der strukturellen Vielfalt solcher Moleküle ist es sehr schwierig diese Prozesse theoretisch genau zu beschreiben welches wiederum ermöglichen würde, technisch optimale Molekülsysteme zur günstigen und effektiven Energiegewinnung aus Licht zu entwickeln.
Lay summary
Unser Ziel ist, mit neuen experimentellen und theoretischen Methoden die verschiedenen Quantenübergange bei der Umwandlung von Lichtenergie viel genauer zu verstehen. Durch die gepulste Röntgenstrahlung neuer Beschleunigungsanlagen, sogenannter “Freie Elektronen Laser” wie z.B. dem SwissFEL, sind viel schnellere und genauere Messungen möglich als bisher, die die Quantenzustände und die Molekularstrukturen mit einer Zeitauflösung von 10-14 (10 Billiardstel) Sekunden bestimmen können. Moderne Rechenanlagen und Computermodelle erlauben die quantenmechanische Wellenfunktion, die genaueste Repräsentation von Materialien, auch für die relativ komplexen Moleküle zu berechnen. Durch eine enge Zusammenarbeit von Experten aus Frankreich und der Schweiz werden molekulare Modellsysteme in ultraschnellen Röntgen und Lichtmessungen studiert, sowie durch Modellierung der Ergebnisse die darunterliegenden physikalischen und chemischen Prozesse genau identifiziert. 
Direct link to Lay Summary Last update: 07.09.2020

Responsible applicant and co-applicants

Project partner

Natural persons


Name Institute

Abstract

Multicross aims at understanding transition metal photophysics to a new level of detail thanks to a joint experimental and theoretical research program spanning three laboratories and two countries. Ultrafast optical spectroscopy and X-ray techniques will be pushed to time resolutions approaching 10 fs. Quantum models will be used to solve time dependent Schrodinger equation to follow the photoinduced wavepacket motion and dispersion along different excited state trajectories that will be controlled by different pump laser pulses. Because the same physical model will be able to explain the different experimental findings, the outcomes will be little biased and the resulting representations can be used to clarify the mechanisms behind the unexpected properties of ultrafast intersystem crossing of transition metal compounds.Indeed transition metals play often a central role in photoreceptors, catalysts and biologicalactive sites. This is due to their capability of changing oxidation states (favouring chargetransfers) and of being coordinated by different molecular geometries. Typical examples areorganometallic systems. Organic ligands lift the degeneracy of 3d orbitals usually resulting in non bonding and antibonding levels. Such energy gap creates different electronic/structural configurations that can be stabilized by enthalpic (low spin, LS) or entropic (high spin, HS) contributions. Spin CrossOver (SCO) from LS to HS state is usually phototriggered by electronic excitation via a metal-to-ligand charge transfer (MLCT) band. Experiments have tried to disclose what immediately follows these excitations and have delivered unexpectedly high intersystem crossing rates. Such observation spurred a wealth of experimental and theoretical investigations all attempting to understand the sub picosecond (1 ps = 10^-12 s) LS to HS mechanism and dynamics.Today, while the ultrafast nature of SCO photophysics is undiscussed a detailed understand of the process is still debated. For example, the most studied SCO compound has beenscrutinised with optical and X-ray spectroscopy, still yielding completely different switchingmechanisms in terms of time scale (from sub-50-fs to nearly 200 fs) and visited intermediates electronic states. The physical picture is even less clear for non octahedral SCO systems that only very recently have been experimentally studied, or hetero-bimetallic compounds in which both charge transfer and spin transition characterize the the difference between low and high temperature phases.Multicross will focus on those different systems in search of an underlying physical picture that could for example evidence the role of particular structural degrees of freedom in driving the system to the metastable HS state.
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