[论文解读] Photoelectron spectroscopy of coronene molecules embedded in helium nanodroplets

Ltaief Ben Ltaief, M. Shcherbinin+6 more|arXiv (Cornell University)|Jul 8, 2020

Quantum, superfluid, helium dynamics参考文献 50被引用 6

一句话总结

本研究首次采用极端紫外光电子能谱（UPS）对掺杂于超流氦纳米液滴中的冠烯分子进行了单光子探测，利用能量低于21 eV的同步辐射以抑制氦的电离。测得的光电子能谱与固态冠烯极为相似，表明光致电离主要源自液滴中的Cor簇，而彭宁电离谱则因环境扰动导致显著展宽。

ABSTRACT

We present the first measurement of a one-photon extreme-ultraviolet photoelectron spectrum (PES) of molecules embedded in superfluid helium nanodroplets. The PES of coronene is compared to gas phase and the solid phase PES, and to electron spectra of embedded coronene generated by charge transfer and Penning ionization through ionized or excited helium. The resemblence of the He-droplet PES to the one of the solid phase indicates that mostly Cor clusters are photoionized. In contrast, the He-droplet Penning-ionization electron spectrum is nearly structureless, indicating strong perturbation of the ionization process by the He droplet. These results pave the way to extreme ultraviolet photoelectron spectroscopy (UPS) of clusters and molecular complexes embedded in helium nanodroplets.

研究动机与目标

• 利用极端紫外辐射测量超流氦纳米液滴中分子掺杂物的直接单光子光电子能谱。
• 通过将光子能量调节至低于21 eV（即氦的电离阈值），以最小化间接电离过程（电荷转移和彭宁电离）。
• 将嵌入的冠烯的光电子能谱与气相和固相冠烯的光电子能谱进行比较，以获得结构和电子性质的深入见解。
• 研究氦纳米液滴环境对离子化动力学和谱线形状的影响。
• 为未来在氦液滴隔离体系中对分子复合物和团簇开展UPS研究奠定基础。

提出的方法

• 在Elettra-Sincrotrone Trieste的CiPo束线采用速度图成像光电子-光离子符合检测（VMI-PEPICO）。
• 采用镀金的正入射单色仪（2400 l/mm）以实现高光谱分辨率并抑制高阶辐射。
• 通过高纯氦气（50 bar）经14 K喷嘴膨胀产生氦纳米液滴，平均尺寸约为~23,000个氦原子。
• 通过加热的蒸气池（150 °C）使液滴掺杂冠烯分子，单分子捕获概率约为37%。
• 在18.5、21.6和26 eV的光子能量下进行光电子能谱测量，能量分辨率ΔE/E = 6%。
• 通过电子图像的阿贝尔反演重构动能分布，并提取光电子能谱。

实验结果

研究问题

• RQ1 冠烯在超流氦纳米液滴中的光电子能谱与气相和固相冠烯相比有何异同？
• RQ2 当光子能量保持在氦电离阈值（21 eV）以下时，冠烯分子的直接光致电离过程在多大程度上可被观测到？
• RQ3 间接电离过程——特别是电荷转移和彭宁电离——在氦液滴环境中如何改变谱线特征？
• RQ4 氦纳米液滴在多大程度上扰动了嵌入冠烯分子的离子化动力学？
• RQ5 单光子极端紫外光电子能谱能否在不被背景电离过度干扰的情况下，有效应用于氦液滴中的分子掺杂物？

主要发现

• 冠烯在氦纳米液滴中的单光子光电子能谱与固态冠烯极为相似，表明主要光致电离过程源自Cor簇而非孤立分子。
• 在18.5 eV时，光电子能谱显示出与固态冠烯电子结构一致的分辨特征，证实离子化过程受到的扰动极小。
• 通过激发氦产生的间接电离所生成的彭宁电离电子谱几乎无结构且显著展宽，表明离子化动力学受到强烈的环境扰动。
• 冠烯在18.5 eV处的高吸收截面（约500 Mbarn）使其即使在低光子能量下也能实现高效的直接光致电离，从而有效抑制间接过程。
• 与固相的谱线相似性表明，冠烯分子在氦液滴中形成了团簇，这些团簇是光致电离过程中主要被探测的物种。
• 本研究为在氦纳米液滴中实现分子复合物的极端紫外光电子能谱研究提供了可行路径，克服了间接电离和谱线展宽带来的挑战。