Enkeltmolekyler viser løfte om optisk at opdage enkelte elektroner

Optisk detektion af en enkelt elektron ved hjælp af et enkelt molekyle er aldrig blevet foretaget. Leidens fysiker Michel Orrit og hans team har nu identificeret et molekyle, der er følsomt nok til at detektere en elektron i en afstand af hundredvis af nanometer. Resultaterne offentliggøres som en forsideartikel i ChemPhysChem .

Fysikere har været i stand til at manipulere enkelte elektroner i nogen tid. Men de kan kun se dem som en del af en elektrisk strøm bestående af tusinder af elektroner. Et mål i fysik er en metode til indirekte at detektere individuelle elektroner ved hjælp af et enkelt molekyle. I fremtiden, en kvantecomputer kunne bruge denne metode til at lokalisere qubits med lys uden at forstyrre deres spin -kvantetilstand - et vigtigt krav for kvantecomputere. Leidens fysiker Michel Orrit og hans gruppe har nu taget et første skridt mod at udvikle denne teknik ved at identificere et molekylært system, der er følsomt nok til at detektere en elektron fra så mange hundrede nanometer væk.

Forskerne, herunder hovedforfattere Zoran Ristanović og Amin Moradi, fandt ud af, at det fluorescerende molekyle dibenzoterrylen (DBT) besidder to vitale egenskaber til detektion af enkelt ladning - forudsat at det er inkluderet i en molekylær krystal på 2, 3-dibromonaphthalen. Først, DBT-molekyler fluorescerer, udsender et snævert spektrum af synligt lys, der er stabilt over længere tid (fig. 1). Sekund, de smalle spektrale linjer forskydes betydeligt i nærvær af et elektrisk felt (fig. 2). Dette vil blive et tegn på en afgift i nærheden, fordi ladninger genererer et sådant elektrisk felt.

Orrit og hans kolleger viser, at de let kan detektere elektriske felter i størrelsesordenen 1 kV/cm (fig. 2) med et DBT-molekyle. Dette er mere end nok følsomhed til at detektere en enkelt elektron på 100 nm væk, hvis elektriske felt er omkring 1,5 kV/cm. Ved hjælp af flere molekyler, der reagerer på samme måde som et elektrisk felt, fysikerne kunne endda bruge triangulering til at finde elektronens placering, ligner GPS. Det næste trin er at detektere en faktisk elektron. Forskerholdet er i øjeblikket ved at bygge en enkelt-elektron enhed til dette eksperiment.