Time-resolved spontaneous and laser-induced unimolecular fragmentation of perylene cations (C20H12+) has been measured on timescales up to 2 s in a cryogenic electrostatic ion beam storage ring. We elaborate a quantitative model, which includes fragmentation in competition with radiative cooling via both vibrational and electronic (recurrent fluorescence) de-excitation. Excellent agreement with experimental results is found when sequential fragmentation of daughter ions co-stored with the parent perylene ions is included in the model. Based on the comparison of the model to experiment, we constrain the oscillator strength of the D1D0 emissive electronic transition in perylene (fRF = 0.055 ± 0.011), as well as the absolute absorption cross section of the D5D0 excitation transition (σabs > 670 Mb). The former transition is responsible for the laser-induced and recurrent fluorescence of perylene, and the latter is the most prominent in the absorption spectrum. The vibrational cooling rate is found to be consistent with the simple harmonic cascade approximation. Quantitative experimental benchmarks of unimolecular processes in polycyclic aromatic hydrocarbon ions like perylene are important for refining astrochemical models.

1.
A. G. G. M.
Tielens
,
Annu. Rev. Astron. Astrophys.
46
,
289
(
2008
).
2.
A. G. G. M.
Tielens
,
Rev. Mod. Phys.
85
,
1021
(
2013
).
3.
V.
Mennella
,
L.
Hornekær
,
J.
Thrower
, and
M.
Accolla
,
Astrophys. J. Lett.
745
,
L2
(
2012
).
4.
J. D.
Thrower
,
B.
Jørgensen
,
E. E.
Friis
,
S.
Baouche
,
V.
Mennella
,
A. C.
Luntz
,
M.
Andersen
,
B.
Hammer
, and
L.
Hornekær
,
Astrophys. J.
752
,
3
(
2012
).
5.
G.
Reitsma
,
L.
Boschman
,
M. J.
Deuzeman
,
O.
González-Magaña
,
S.
Hoekstra
,
S.
Cazaux
,
R.
Hoekstra
, and
T.
Schlathölter
,
Phys. Rev. Lett.
113
,
053002
(
2014
).
6.
M.
Gatchell
,
M. H.
Stockett
,
N.
de Ruette
,
T.
Chen
,
L.
Giacomozzi
,
R. F.
Nascimento
,
M.
Wolf
,
E. K.
Anderson
,
R.
Delaunay
,
V.
Vizcaino
,
P.
Rousseau
,
L.
Adoui
,
B. A.
Huber
,
H. T.
Schmidt
,
H.
Zettergren
, and
H.
Cederquist
,
Phys. Rev. A
92
,
050702(R)
(
2015
).
7.
M. H.
Stockett
,
M.
Gatchell
,
T.
Chen
,
N.
de Ruette
,
L.
Giacomozzi
,
M.
Wolf
,
H. T.
Schmidt
,
H.
Zettergren
, and
H.
Cederquist
,
J. Phys. Chem. Lett.
6
,
4504
4509
(
2015
).
8.
E. R.
Micelotta
,
A. P.
Jones
, and
A. G. G. M.
Tielens
,
Astron. Astrophys.
510
,
A36
(
2010
); https://arxiv:0910.2461 [astro-ph.GA].
9.
L. J.
Allamandola
,
A. G. G. M.
Tielens
, and
J. R.
Barker
,
Astrophys. J., Suppl. Ser.
71
,
733
(
1989
).
10.
S.
Martin
,
J.
Bernard
,
R.
Brédy
,
B.
Concina
,
C.
Joblin
,
M.
Ji
,
C.
Ortega
, and
L.
Chen
,
Phys. Rev. Lett.
110
,
063003
(
2013
).
11.
S.
Martin
,
M.
Ji
,
J.
Bernard
,
R.
Brédy
,
B.
Concina
,
A. R.
Allouche
,
C.
Joblin
,
C.
Ortega
,
G.
Montagne
,
A.
Cassimi
,
Y.
Ngono-Ravache
, and
L.
Chen
,
Phys. Rev. A
92
,
053425
(
2015
).
12.
V.
Chandrasekaran
,
B.
Kafle
,
A.
Prabhakaran
,
O.
Heber
,
M.
Rappaport
,
H.
Rubinstein
,
D.
Schwalm
,
Y.
Toker
, and
D.
Zajfman
,
J. Phys. Chem. Lett.
5
,
4078
(
2014
).
13.
G.
Ito
,
T.
Furukawa
,
H.
Tanuma
,
J.
Matsumoto
,
H.
Shiromaru
,
T.
Majima
,
M.
Goto
,
T.
Azuma
, and
K.
Hansen
,
Phys. Rev. Lett.
112
,
183001
(
2014
).
14.
A.
Léger
,
P.
Boissel
, and
L.
d’Hendecourt
,
Phys. Rev. Lett.
60
,
921
(
1988
).
15.
M.
Saito
,
H.
Kubota
,
K.
Yamasa
,
K.
Suzuki
,
T.
Majima
, and
H.
Tsuchida
,
Phys. Rev. A
102
,
012820
(
2020
).
16.
J.
Bernard
,
L.
Chen
,
R.
Brédy
,
M.
Ji
,
C.
Ortéga
,
J.
Matsumoto
, and
S.
Martin
, in
Proceedings of the 18th International Conference on the Physics of Highly Charged Ions (HCI-2016), Kielce, Poland, 11–16 September 2016
[
Nucl. Instrum. Methods Phys. Res., Sec. B
408
,
21
(
2017
)].
17.
M.
Ji
,
J.
Bernard
,
L.
Chen
,
R.
Brédy
,
C.
Ortéga
,
C.
Joblin
,
A.
Cassimi
, and
S.
Martin
,
J. Chem. Phys.
146
,
044301
(
2017
).
18.
J.
Bernard
,
A.
Al-Mogeeth
,
A.-R.
Allouche
,
L.
Chen
,
G.
Montagne
, and
S.
Martin
,
J. Chem. Phys.
150
,
054303
(
2019
).
19.
M. H.
Stockett
,
M.
Björkhage
,
H.
Cederquist
,
H. T.
Schmidt
, and
H.
Zettergren
,
Faraday Discuss.
217
,
126
137
(
2019
).
20.
M.
Wolf
,
H. V.
Kiefer
,
J.
Langeland
,
L. H.
Andersen
,
H.
Zettergren
,
H. T.
Schmidt
,
H.
Cederquist
, and
M. H.
Stockett
,
Astrophys. J.
832
,
24
(
2016
).
21.
C.
Joblin
,
F.
Salama
, and
L.
Allamandola
,
J. Chem. Phys.
102
,
9743
(
1995
).
22.
X. D. F.
Chillier
,
B. M.
Stone
,
C.
Joblin
,
F.
Salama
, and
L. J.
Allamandola
,
J. Chem. Phys.
116
,
5725
(
2002
).
23.
R. D.
Thomas
,
H. T.
Schmidt
,
G.
Andler
,
M.
Björkhage
,
M.
Blom
,
L.
Brännholm
,
E.
Bäckström
,
H.
Danared
,
S.
Das
,
N.
Haag
,
P.
Halldén
,
F.
Hellberg
,
A. I. S.
Holm
,
H. A. B.
Johansson
,
A.
Källberg
,
G.
Källersjö
,
M.
Larsson
,
S.
Leontein
,
L.
Liljeby
,
P.
Löfgren
,
B.
Malm
,
S.
Mannervik
,
M.
Masuda
,
D.
Misra
,
A.
Orbán
,
A.
Paál
,
P.
Reinhed
,
K.-G.
Rensfelt
,
S.
Rosén
,
K.
Schmidt
,
F.
Seitz
,
A.
Simonsson
,
J.
Weimer
,
H.
Zettergren
, and
H.
Cederquist
,
Rev. Sci. Instrum.
82
,
065112
(
2011
).
24.
H. T.
Schmidt
,
R. D.
Thomas
,
M.
Gatchell
,
S.
Rosén
,
P.
Reinhed
,
P.
Löfgren
,
L.
Brännholm
,
M.
Blom
,
M.
Björkhage
,
E.
Bäckström
,
J. D.
Alexander
,
S.
Leontein
,
D.
Hanstorp
,
H.
Zettergren
,
L.
Liljeby
,
A.
Källberg
,
A.
Simonsson
,
F.
Hellberg
,
S.
Mannervik
,
M.
Larsson
,
W. D.
Geppert
,
K. G.
Rensfelt
,
H.
Danared
,
A.
Paál
,
M.
Masuda
,
P.
Halldén
,
G.
Andler
,
M. H.
Stockett
,
T.
Chen
,
G.
Källersjö
,
J.
Weimer
,
K.
Hansen
,
H.
Hartman
, and
H.
Cederquist
,
Rev. Sci. Instrum.
84
,
055115
(
2013
).
25.
E.
Bäckström
,
D.
Hanstorp
,
O. M.
Hole
,
M.
Kaminska
,
R. F.
Nascimento
,
M.
Blom
,
M.
Björkhage
,
A.
Källberg
,
P.
Löfgren
,
P.
Reinhed
,
S.
Rosén
,
A.
Simonsson
,
R. D.
Thomas
,
S.
Mannervik
,
H. T.
Schmidt
, and
H.
Cederquist
,
Phys. Rev. Lett.
114
,
143003
(
2015
).
26.
A. P.
O’Connor
,
A.
Becker
,
K.
Blaum
,
C.
Breitenfeldt
,
S.
George
,
J.
Göck
,
M.
Grieser
,
F.
Grussie
,
E. A.
Guerin
,
R.
von Hahn
,
U.
Hechtfischer
,
P.
Herwig
,
J.
Karthein
,
C.
Krantz
,
H.
Kreckel
,
S.
Lohmann
,
C.
Meyer
,
P. M.
Mishra
,
O.
Novotný
,
R.
Repnow
,
S.
Saurabh
,
D.
Schwalm
,
K.
Spruck
,
S.
Sunil Kumar
,
S.
Vogel
, and
A.
Wolf
,
Phys. Rev. Lett.
116
,
113002
(
2016
).
27.
C.
Meyer
,
A.
Becker
,
K.
Blaum
,
C.
Breitenfeldt
,
S.
George
,
J.
Göck
,
M.
Grieser
,
F.
Grussie
,
E. A.
Guerin
,
R.
von Hahn
,
P.
Herwig
,
C.
Krantz
,
H.
Kreckel
,
J.
Lion
,
S.
Lohmann
,
P. M.
Mishra
,
O.
Novotný
,
A. P.
O’Connor
,
R.
Repnow
,
S.
Saurabh
,
D.
Schwalm
,
L.
Schweikhard
,
K.
Spruck
,
S.
Sunil Kumar
,
S.
Vogel
, and
A.
Wolf
,
Phys. Rev. Lett.
119
,
023202
(
2017
).
28.
C.
Breitenfeldt
,
K.
Blaum
,
S.
George
,
J.
Göck
,
G.
Guzmán-Ramírez
,
J.
Karthein
,
T.
Kolling
,
M.
Lange
,
S.
Menk
,
C.
Meyer
,
J.
Mohrbach
,
G.
Niedner-Schatteburg
,
D.
Schwalm
,
L.
Schweikhard
, and
A.
Wolf
,
Phys. Rev. Lett.
120
,
253001
(
2018
).
29.
J. N.
Bull
,
M. S.
Scholz
,
E.
Carrascosa
,
M. K.
Kristiansson
,
G.
Eklund
,
N.
Punnakayathil
,
N.
de Ruette
,
H.
Zettergren
,
H. T.
Schmidt
,
H.
Cederquist
, and
M. H.
Stockett
,
J. Chem. Phys.
151
,
114304
(
2019
).
30.
M. H.
Stockett
,
J. N.
Bull
,
J. T.
Buntine
,
E.
Carrascosa
,
E. K.
Anderson
,
M.
Gatchell
,
M.
Kaminska
,
R. F.
Nascimento
,
H.
Cederquist
,
H. T.
Schmidt
, and
H.
Zettergren
,
Eur. Phys. J. D
74
,
150
(
2020
).
31.
E. K.
Anderson
, “
DESIREE: Instrumentation developments and hot metal cluster decays
,” Ph.D. thesis,
Department of Physics, Stockholm University
,
2019
.
32.
T.
Beyer
and
D. F.
Swinehart
,
Commun. ACM
16
,
379
(
1973
).
33.
J.-D.
Chai
and
M.
Head-Gordon
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
10
,
6615
(
2008
).
34.
T. H.
Dunning
, Jr.
,
J. Chem. Phys.
90
,
1007
(
1989
).
35.
M. J.
Frisch
,
G. W.
Trucks
,
H. B.
Schlegel
,
G. E.
Scuseria
,
M. A.
Robb
,
J. R.
Cheeseman
,
G.
Scalmani
,
V.
Barone
,
B.
Mennucci
,
G. A.
Petersson
,
H.
Nakatsuji
,
M.
Caricato
,
X.
Li
,
H. P.
Hratchian
,
A. F.
Izmaylov
,
J.
Bloino
,
G.
Zheng
,
J. L.
Sonnenberg
,
M.
Hada
,
M.
Ehara
,
K.
Toyota
,
R.
Fukuda
,
J.
Hasegawa
,
M.
Ishida
,
T.
Nakajima
,
Y.
Honda
,
O.
Kitao
,
H.
Nakai
,
T.
Vreven
,
J. A.
Montgomery
, Jr.
,
J. E.
Peralta
,
F.
Ogliaro
,
M.
Bearpark
,
J. J.
Heyd
,
E.
Brothers
,
K. N.
Kudin
,
V. N.
Staroverov
,
R.
Kobayashi
,
J.
Normand
,
K.
Raghavachari
,
A.
Rendell
,
J. C.
Burant
,
S. S.
Iyengar
,
J.
Tomasi
,
M.
Cossi
,
N.
Rega
,
J. M.
Millam
,
M.
Klene
,
J. E.
Knox
,
J. B.
Cross
,
V.
Bakken
,
C.
Adamo
,
J.
Jaramillo
,
R.
Gomperts
,
R. E.
Stratmann
,
O.
Yazyev
,
A. J.
Austin
,
R.
Cammi
,
C.
Pomelli
,
J. W.
Ochterski
,
R. L.
Martin
,
K.
Morokuma
,
V. G.
Zakrzewski
,
G. A.
Voth
,
P.
Salvador
,
J. J.
Dannenberg
,
S.
Dapprich
,
A. D.
Daniels
,
C.
Farkas
,
J. B.
Foresman
,
J. V.
Ortiz
,
J.
Cioslowski
, and
D. J.
Fox
, Gaussian 16, Revision B.01,
Gaussian, Inc.
,
Wallingford, CT
,
2016
.
36.
P.
Boissel
,
P.
de Parseval
,
P.
Marty
, and
G.
Lefèvre
,
J. Chem. Phys.
106
,
4973
(
1997
).
37.
B.
West
,
S.
Rodriguez Castillo
,
A.
Sit
,
S.
Mohamad
,
B.
Lowe
,
C.
Joblin
,
A.
Bodi
, and
P. M.
Mayer
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
20
,
7195
(
2018
).
38.
W.
Forst
,
J. Phys. Chem.
76
,
342
(
1972
).
39.
W. D.
Price
,
P. D.
Schnier
, and
E. R.
Williams
,
J. Phys. Chem. B
101
,
664
(
1997
).
40.
K.
Hansen
,
M. H.
Stockett
,
M.
Kaminska
,
R. F.
Nascimento
,
E. K.
Anderson
,
M.
Gatchell
,
K. C.
Chartkunchand
,
G.
Eklund
,
H.
Zettergren
,
H. T.
Schmidt
, and
H.
Cederquist
,
Phys. Rev. A
95
,
022511
(
2017
).
41.
K.
Hansen
,
J. U.
Andersen
,
P.
Hvelplund
,
S. P.
Møller
,
U. V.
Pedersen
, and
V. V.
Petrunin
,
Phys. Rev. Lett.
87
,
123401
(
2001
).
42.
M.
Barat
,
J. C.
Brenot
,
J. A.
Fayeton
, and
Y. J.
Picard
,
Rev. Sci. Instrum.
71
,
2050
(
2000
).
43.
M.
Krems
,
J.
Zirbel
,
M.
Thomason
, and
R. D.
DuBois
,
Rev. Sci. Instrum.
76
,
093305
(
2005
).
44.
V. K.
Jain
and
Z. H.
Zaidi
,
Spectrochim. Acta, A
43
,
1275
(
1987
).
45.
F.
Negri
and
M. Z.
Zgierski
,
J. Chem. Phys.
100
,
1387
(
1994
).
46.
T. M.
Halasinski
,
J. L.
Weisman
,
R.
Ruiterkamp
,
T. J.
Lee
,
F.
Salama
, and
M.
Head-Gordon
,
J. Phys. Chem. A
107
,
3660
(
2003
).
47.
S.
Hirata
,
M.
Head-Gordon
,
J.
Szczepanski
, and
M.
Vala
,
J. Phys. Chem. A
107
,
4940
(
2003
).
48.
A. M.
Tokmachev
,
M.
Boggio-Pasqua
,
D.
Mendive-Tapia
,
M. J.
Bearpark
, and
M. A.
Robb
,
J. Chem. Phys.
132
,
044306
(
2010
).
49.
A. E. K.
Sundén
,
M.
Goto
,
J.
Matsumoto
,
H.
Shiromaru
,
H.
Tanuma
,
T.
Azuma
,
J. U.
Andersen
,
S. E.
Canton
, and
K.
Hansen
,
Phys. Rev. Lett.
103
,
143001
(
2009
).
50.
G.
Malloci
,
G.
Mulas
, and
C.
Joblin
,
Astron. Astrophys.
426
,
105
(
2004
).
51.
S.
Hirata
,
T. J.
Lee
, and
M.
Head-Gordon
,
J. Chem. Phys.
111
,
8904
(
1999
).

Supplementary Material

You do not currently have access to this content.