Interakce excitonů v ultrarychlé spektroskopii

• Název práce v češtině: Interakce excitonů v ultrarychlé spektroskopii
• Název v anglickém jazyce: Exciton interaction in ultrafast spectroscopy
• Klíčová slova: ultrarychlá spektroskopie|excitony|přenos energie|fotosyntéza
• Klíčová slova anglicky: ultrafast spectroscopy|excitons|energy transfer|photosynthesis
• Akademický rok vypsání: 2023/2024
• Typ práce: disertační práce
• Ústav: Fyzikální ústav UK (32-FUUK)
• Vedoucí / školitel: RNDr. Pavel Malý, Ph.D.
• Konzultanti: doc. Mgr. Tomáš Mančal, Ph.D.

Zásady pro vypracování

1. Seznámit se s experimenty nelineární spektroskopie
2. Seznámit se s existujícími popisy stavů více interagujících excitonů
3. Zformulovat teoretický popis nelineárních transientních spekter s excitonovou interakcí
4. Interpretovat vysoce nelineární experimenty na fotosyntetických komplexech a případně jiných systémech
5. Výsledky průběžně prezentovat na konferencích a publikovat v odborných časopisech

Seznam odborné literatury

Malý et al., „Separating single- from multi-particle dynamics in nonlinear spectroscopy“, Nature 616, 280 (2023)
Luettig et al., „Higher-Order Multidimensional and Pump–Probe Spectroscopies“, J. Phys. Chem. Lett. 14, 7556 (2023)
Malý et al., „From wavelike to sub-diffusive motion: exciton dynamics and interaction in squaraine copolymers of varying length“, Chem. Sci. 11, 456 (2020)
a další články po dohodě s vedoucím práce

Předběžná náplň práce

Ultrarychlá spektroskopie ve viditelné oblasti studuje elektronické stavy a jejich fotoindukovanou dynamiku. Významným příkladem je přenos energie v přírodních fotosyntetických komplexech i v umělých solárních materiálech. Tradičně se sleduje dynamika jedné excitace pomocí jejího transientního spektra. Takto ale nelze sledovat dalekosáhlý přenos jednotlivých excitací v izoenergetickém okolí, protože se spektrum během dynamiky nemění. To je závažné omezení u větších systémů jako jsou fotosyntetické superkomplexy nebo konjugované polymery. Další překážkou je přítomnost vícenásobných excitací, protože jejich interakce překrývá a zkresluje signály jednotlivých excitací. V poslední době se objevují nové přístupy na námi a dalšími skupinami objevených principech, které využívají vysoce nelineární transientní spektroskopii a umožňují izolovat víceexcitonové signály. To poskytuje nejen přístup k dynamice jednotlivých excitací, ale s využitím interakce také k transportu na velké vzdálenosti.
Tato práce je postavena na popisu multiexcitonových stavů: jejich vlastností, exciton-excitonové interakce, signatur v časově rozlišené spektroskopii a důsledků pro funkci příslušných materiálů. Uchazeč bude mít příležitost spolupracovat s předními světovými výzkumnými skupinami, které vyvíjejí a aplikují metody nelineární spektroskopie, a podílet se na vývoji tohoto nového směru v ultrarychlé spektroskopii. Konkrétní obsah práce bude upřesněn po konzultaci. Očekávají se odborné znalosti uchazeče na úrovni ukončeného magisterského studia biofyziky a chemické fyziky nebo optiky a optoelektroniky.

Předběžná náplň práce v anglickém jazyce

Ultrafast visible spectroscopy studies electronic states and their photoinduced dynamics. A prominent example is energy transfer in both natural photosynthetic complexes and artificial solar materials. Traditionally, the dynamics of a single excitation is followed by its transient spectrum. By this approach, long-range transport of single excitations in an iso-energetic landscape cannot be tracked, since the spectrum does not change. This is a severe limitation in larger systems such as photosynthetic supercomplexes or conjugated polymers. At the same time, presence of multiple excitations presents an obstacle, since their interaction distorts the single-exciton signals. Recently, approaches by us and other groups appear that use highly nonlinear transient spectroscopy and allow isolation of the multi-excitonic signals. This provides not only access to single-excitation dynamics, but, utilizing the interaction, to long-range transport as well.
This thesis is built around the description of the multi-excitonic states: their properties, exciton–exciton interaction, signatures in time-resolved spectroscopy, and implications for function of the relevant materials. The candidate will have the opportunity to collaborate with world-leading research groups that develop and apply the nonlinear spectroscopy methods, to take part in development of this novel, exciting direction in ultrafast spectroscopy. The particular thesis content will be specified upon consultation. The candidate expertise on the level of finished master study in biophysics and chemical physics or optics and optoelectronics is expected.