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Blanchet V, Descamps D, Petit S, Mairesse Y, Pons B, Fabre B. Ultrafast relaxation investigated by photoelectron circular dichroism: an isomeric comparison of camphor and fenchone. Phys Chem Chem Phys 2021; 23:25612-25628. [PMID: 34781331 DOI: 10.1039/d1cp03569j] [Citation(s) in RCA: 10] [Impact Index Per Article: 2.5] [Reference Citation Analysis] [Abstract] [Track Full Text] [Journal Information] [Subscribe] [Scholar Register] [Indexed: 11/21/2022]
Abstract
We study the isomeric effects using time resolved photoelectron circular dichroism (TR-PECD). Using a (1 + 1') pump-probe ionisation scheme with photoelectrons collected by the velocity map imaging technique, we compare the relaxation dynamics from the 3s-Rydberg state in 1R,4R-(+)-camphor with the one in its chiral isomer, 1R,4S-(-)-fenchone [Comby et al., 2016, JPCL, 7, 4514]. Our measurements revealed a similar lifetime for both isomers. However, the circular dichroism in the photoelectron angular distribution decays exponentially in ∼730 fs from a +9% forward amplitude during the first hundreds of femtoseconds to reach an asymptotic -2% backward amplitude. This time-scale is drastically shorter than in fenchone. Our analysis allows us to evaluate the impact of the anisotropy of excitation; the relaxation dynamics, following photoexcitation by the linearly polarized pump, is then compared to that induced by a circularly polarized pump pulse (CPL). With such a CPL pump, we then retrieve time constants of our chiral observables similar to the ones recorded in fenchone. Quantum and classical simulations are developed and used to decipher the dependence of the PECD on the anisotropy of excitation and the spatial distribution of the 3s-Rydberg electron wavefunction. Our experimental investigations, supported by our simulations, suggest that varying the pump ellipticity enables us to reveal the breakdown of the Franck-Condon approximation.
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Affiliation(s)
- Valérie Blanchet
- Université de Bordeaux-CNRS-CEA, CELIA, UMR5107, F33405 Talence, France.
| | - Dominique Descamps
- Université de Bordeaux-CNRS-CEA, CELIA, UMR5107, F33405 Talence, France.
| | - Stéphane Petit
- Université de Bordeaux-CNRS-CEA, CELIA, UMR5107, F33405 Talence, France.
| | - Yann Mairesse
- Université de Bordeaux-CNRS-CEA, CELIA, UMR5107, F33405 Talence, France.
| | - Bernard Pons
- Université de Bordeaux-CNRS-CEA, CELIA, UMR5107, F33405 Talence, France.
| | - Baptiste Fabre
- Université de Bordeaux-CNRS-CEA, CELIA, UMR5107, F33405 Talence, France.
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Tia M, Pitzer M, Kastirke G, Gatzke J, Kim HK, Trinter F, Rist J, Hartung A, Trabert D, Siebert J, Henrichs K, Becht J, Zeller S, Gassert H, Wiegandt F, Wallauer R, Kuhlins A, Schober C, Bauer T, Wechselberger N, Burzynski P, Neff J, Weller M, Metz D, Kircher M, Waitz M, Williams JB, Schmidt LPH, Müller AD, Knie A, Hans A, Ben Ltaief L, Ehresmann A, Berger R, Fukuzawa H, Ueda K, Schmidt-Böcking H, Dörner R, Jahnke T, Demekhin PV, Schöffler M. Observation of Enhanced Chiral Asymmetries in the Inner-Shell Photoionization of Uniaxially Oriented Methyloxirane Enantiomers. J Phys Chem Lett 2017; 8:2780-2786. [PMID: 28582620 DOI: 10.1021/acs.jpclett.7b01000] [Citation(s) in RCA: 32] [Impact Index Per Article: 4.0] [Reference Citation Analysis] [Abstract] [Track Full Text] [Journal Information] [Subscribe] [Scholar Register] [Indexed: 06/07/2023]
Abstract
Most large molecules are chiral in their structure: they exist as two enantiomers, which are mirror images of each other. Whereas the rovibronic sublevels of two enantiomers are almost identical (neglecting a minuscular effect of the weak interaction), it turns out that the photoelectric effect is sensitive to the absolute configuration of the ionized enantiomer. Indeed, photoionization of randomly oriented enantiomers by left or right circularly polarized light results in a slightly different electron flux parallel or antiparallel with respect to the photon propagation direction-an effect termed photoelectron circular dichroism (PECD). Our comprehensive study demonstrates that the origin of PECD can be found in the molecular frame electron emission pattern connecting PECD to other fundamental photophysical effects such as the circular dichroism in angular distributions (CDAD). Accordingly, distinct spatial orientations of a chiral molecule enhance the PECD by a factor of about 10.
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Affiliation(s)
- Maurice Tia
- Institut für Kernphysik, Goethe Universität Frankfurt , Max-von-Laue-Straße 1, 60438 Frankfurt am Main, Germany
| | - Martin Pitzer
- Institut für Kernphysik, Goethe Universität Frankfurt , Max-von-Laue-Straße 1, 60438 Frankfurt am Main, Germany
- Institut für Physik und CINSaT, Universität Kassel , Heinrich-Plett-Straße 40, 34132 Kassel, Germany
| | - Gregor Kastirke
- Institut für Kernphysik, Goethe Universität Frankfurt , Max-von-Laue-Straße 1, 60438 Frankfurt am Main, Germany
| | - Janine Gatzke
- Institut für Kernphysik, Goethe Universität Frankfurt , Max-von-Laue-Straße 1, 60438 Frankfurt am Main, Germany
| | - Hong-Keun Kim
- Institut für Kernphysik, Goethe Universität Frankfurt , Max-von-Laue-Straße 1, 60438 Frankfurt am Main, Germany
| | - Florian Trinter
- Institut für Kernphysik, Goethe Universität Frankfurt , Max-von-Laue-Straße 1, 60438 Frankfurt am Main, Germany
| | - Jonas Rist
- Institut für Kernphysik, Goethe Universität Frankfurt , Max-von-Laue-Straße 1, 60438 Frankfurt am Main, Germany
| | - Alexander Hartung
- Institut für Kernphysik, Goethe Universität Frankfurt , Max-von-Laue-Straße 1, 60438 Frankfurt am Main, Germany
| | - Daniel Trabert
- Institut für Kernphysik, Goethe Universität Frankfurt , Max-von-Laue-Straße 1, 60438 Frankfurt am Main, Germany
| | - Juliane Siebert
- Institut für Kernphysik, Goethe Universität Frankfurt , Max-von-Laue-Straße 1, 60438 Frankfurt am Main, Germany
| | - Kevin Henrichs
- Institut für Kernphysik, Goethe Universität Frankfurt , Max-von-Laue-Straße 1, 60438 Frankfurt am Main, Germany
| | - Jasper Becht
- Institut für Kernphysik, Goethe Universität Frankfurt , Max-von-Laue-Straße 1, 60438 Frankfurt am Main, Germany
| | - Stefan Zeller
- Institut für Kernphysik, Goethe Universität Frankfurt , Max-von-Laue-Straße 1, 60438 Frankfurt am Main, Germany
| | - Helena Gassert
- Institut für Kernphysik, Goethe Universität Frankfurt , Max-von-Laue-Straße 1, 60438 Frankfurt am Main, Germany
| | - Florian Wiegandt
- Institut für Kernphysik, Goethe Universität Frankfurt , Max-von-Laue-Straße 1, 60438 Frankfurt am Main, Germany
| | - Robert Wallauer
- Institut für Kernphysik, Goethe Universität Frankfurt , Max-von-Laue-Straße 1, 60438 Frankfurt am Main, Germany
| | - Andreas Kuhlins
- Institut für Kernphysik, Goethe Universität Frankfurt , Max-von-Laue-Straße 1, 60438 Frankfurt am Main, Germany
| | - Carl Schober
- Institut für Kernphysik, Goethe Universität Frankfurt , Max-von-Laue-Straße 1, 60438 Frankfurt am Main, Germany
| | - Tobias Bauer
- Institut für Kernphysik, Goethe Universität Frankfurt , Max-von-Laue-Straße 1, 60438 Frankfurt am Main, Germany
| | - Natascha Wechselberger
- Institut für Kernphysik, Goethe Universität Frankfurt , Max-von-Laue-Straße 1, 60438 Frankfurt am Main, Germany
| | - Phillip Burzynski
- Institut für Kernphysik, Goethe Universität Frankfurt , Max-von-Laue-Straße 1, 60438 Frankfurt am Main, Germany
| | - Jonathan Neff
- Institut für Kernphysik, Goethe Universität Frankfurt , Max-von-Laue-Straße 1, 60438 Frankfurt am Main, Germany
| | - Miriam Weller
- Institut für Kernphysik, Goethe Universität Frankfurt , Max-von-Laue-Straße 1, 60438 Frankfurt am Main, Germany
| | - Daniel Metz
- Institut für Kernphysik, Goethe Universität Frankfurt , Max-von-Laue-Straße 1, 60438 Frankfurt am Main, Germany
| | - Max Kircher
- Institut für Kernphysik, Goethe Universität Frankfurt , Max-von-Laue-Straße 1, 60438 Frankfurt am Main, Germany
| | - Markus Waitz
- Institut für Kernphysik, Goethe Universität Frankfurt , Max-von-Laue-Straße 1, 60438 Frankfurt am Main, Germany
| | - Joshua B Williams
- Institut für Kernphysik, Goethe Universität Frankfurt , Max-von-Laue-Straße 1, 60438 Frankfurt am Main, Germany
- Department of Physics, University of Nevada , Reno, Nevada 89557, United States
| | - Lothar Ph H Schmidt
- Institut für Kernphysik, Goethe Universität Frankfurt , Max-von-Laue-Straße 1, 60438 Frankfurt am Main, Germany
| | - Anne D Müller
- Institut für Physik und CINSaT, Universität Kassel , Heinrich-Plett-Straße 40, 34132 Kassel, Germany
| | - André Knie
- Institut für Physik und CINSaT, Universität Kassel , Heinrich-Plett-Straße 40, 34132 Kassel, Germany
| | - Andreas Hans
- Institut für Physik und CINSaT, Universität Kassel , Heinrich-Plett-Straße 40, 34132 Kassel, Germany
| | - Ltaief Ben Ltaief
- Institut für Physik und CINSaT, Universität Kassel , Heinrich-Plett-Straße 40, 34132 Kassel, Germany
| | - Arno Ehresmann
- Institut für Physik und CINSaT, Universität Kassel , Heinrich-Plett-Straße 40, 34132 Kassel, Germany
| | - Robert Berger
- Theoretical Chemistry, Department of Chemistry, Philipps-Universität Marburg , Hans-Meerwein-Straße, 35032 Marburg, Germany
| | - Hironobu Fukuzawa
- Institute of Multidisciplinary Research for Advanced Materials, Tohoku University , Sendai 980-8577, Japan
| | - Kiyoshi Ueda
- Institute of Multidisciplinary Research for Advanced Materials, Tohoku University , Sendai 980-8577, Japan
| | - Horst Schmidt-Böcking
- Institut für Kernphysik, Goethe Universität Frankfurt , Max-von-Laue-Straße 1, 60438 Frankfurt am Main, Germany
| | - Reinhard Dörner
- Institut für Kernphysik, Goethe Universität Frankfurt , Max-von-Laue-Straße 1, 60438 Frankfurt am Main, Germany
| | - Till Jahnke
- Institut für Kernphysik, Goethe Universität Frankfurt , Max-von-Laue-Straße 1, 60438 Frankfurt am Main, Germany
| | - Philipp V Demekhin
- Institut für Physik und CINSaT, Universität Kassel , Heinrich-Plett-Straße 40, 34132 Kassel, Germany
| | - Markus Schöffler
- Institut für Kernphysik, Goethe Universität Frankfurt , Max-von-Laue-Straße 1, 60438 Frankfurt am Main, Germany
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