Perturbationsfri undersøgelser af enkelte molekyler

Forskere fra universitetet i Basel har udviklet en ny metode, hvormed individuelle isolerede molekyler kan studeres præcist - uden at ødelægge molekylet eller endda påvirke dets kvantetilstand. Denne meget følsomme teknik til sondering af molekyler er vidt anvendelig og baner vejen for en række nye anvendelser inden for kvantevidenskab, spektroskopi og kemi, som journalen Videnskab rapporter.

Spektroskopiske analyser er baseret på stofs interaktion med lys og repræsenterer det vigtigste eksperimentelle værktøj til at studere molekylers egenskaber. I typiske spektroskopiske eksperimenter, en prøve, der indeholder et stort antal molekyler, bestråles direkte. Molekylerne kan kun absorbere lys ved veldefinerede bølgelængder, som svarer til energiforskelle mellem to af deres kvantetilstande. Dette omtales som en spektroskopisk excitation.

I løbet af disse eksperimenter, molekylerne forstyrres og ændrer deres kvantetilstand. I mange tilfælde, molekylerne skal endda destrueres for at detektere de spektroskopiske excitationer. Analysen af ​​bølgelængderne og intensiteterne af disse excitationer giver information om molekylernes kemiske struktur og deres bevægelser såsom rotationer eller vibrationer.

Inspireret af kvantemetoder udviklet til manipulation af atomer, forskergruppen af ​​prof. Stefan Willitsch ved Institut for Kemi ved Universitetet i Basel har udviklet en ny teknik, som muliggør spektroskopiske målinger på niveau med et enkelt molekyle, her som et eksempel en enkelt, ladet nitrogenmolekyle. Den nye teknik forstyrrer ikke molekylet eller forstyrrer endda dets kvantetilstand.

I deres eksperimenter, molekylet fanges i en radiofrekvensfælde og køles ned til nær det absolutte nulpunkt på temperaturskalaen (ca. -273 °C). For at aktivere køling, et hjælpeatom (her et enkelt, ladet calciumatom) er samtidigt fanget og lokaliseret ved siden af ​​molekylet. Denne rumlige nærhed er også afgørende for den efterfølgende spektroskopiske undersøgelse af molekylet.

Et enkelt molekyle i et optisk gitter

Efterfølgende der genereres en kraft på molekylet ved at fokusere to laserstråler på partiklerne for at danne et såkaldt optisk gitter. Styrken af ​​denne optiske kraft øges med den bestrålede bølgelængdes nærhed til en spektroskopisk excitation i molekylet, hvilket resulterer i en vibration af molekylet i fælden i stedet for dets excitation.

Vibrationens styrke er således relateret til nærheden til en spektroskopisk overgang og overføres til nabocalciumatomet, hvorfra den detekteres med høj følsomhed. På denne måde den samme information om molekylet kan hentes som i et konventionelt spektroskopisk eksperiment.

Denne metode, som er en ny type kraftspektroskopi, introducerer flere nye koncepter:For det første, den er afhængig af enkelte molekyler i stedet for store ensembler. Sekund, det repræsenterer en fuldstændig ikke-invasiv teknik, da detektion udføres indirekte (via et naboatom) og uden en direkte excitation af spektroskopiske overgange. Derfor, molekylets kvantetilstand efterlades intakt, så målingen kan gentages kontinuerligt. Som resultat, metoden er meget mere følsom end etablerede spektroskopiske metoder, der er afhængige af direkte excitation og ødelæggelse af et stort antal molekyler.

Anvendelser i ekstremt præcise ure og byggeklodser til kvantecomputere

Der er en række potentielle anvendelser af den nye metode, Prof. Willitsch forklarer:"Vores type kraftspektroskopi tillader ekstremt præcise målinger på molekyler, som ikke er mulige med konventionelle spektroskopiske teknikker. Med den nye metode, man kan studere molekylære egenskaber og kemiske reaktioner under meget følsomme og under præcist definerede forhold på enkeltmolekyleniveau. Det baner også vejen for undersøgelser af grundlæggende spørgsmål, såsom om fysiske konstanter virkelig er konstante eller varierer med tiden. En mere praktisk anvendelse kunne være udviklingen af ​​et ultrapræcis ur baseret på et enkelt molekyle - eller anvendelsen af ​​molekyler som byggesten til kvantecomputere."