At se farven på sammenfiltrede fotoner i molekylære systemer

Spektroskopi er studiet af, hvordan stof absorberer og udsender lys og anden stråling. Det giver forskere mulighed for at studere strukturen af ​​atomer og molekyler, herunder energiniveauerne af deres elektroner. Klassisk optisk spektroskopi er afhængig af den måde, partikler af lys kaldet fotoner interagerer med stof. Disse klassiske spektroskopiteknikker omfatter en-foton-absorption (OPA) og to-foton-absorption (TPA).

Kvantelysspektroskopi er i stedet afhængig af en egenskab ved kvantemekanikken kaldet sammenfiltring. Dette er en iboende forbindelse mellem partikler, der betyder, at en foton ikke kan ændre sig, uden at den anden også ændrer sig, uanset hvor langt fra hinanden de er. Nyere forskning har undersøgt en kvantelysspektroskopi-teknik kaldet entangled two-photon absorption (ETPA), der udnytter sammenfiltring til at afsløre strukturerne af molekyler, og hvordan ETPA virker ved ultrahurtige hastigheder for at bestemme egenskaber, der ikke kan ses med klassisk spektroskopi.

Resultaterne er offentliggjort i tidsskriftet Proceedings of the National Academy of Sciences .

Denne forskning viste, at ETPA kan opnå anden information om molekyler end OPA- og TPA-teknikker kan opnå. EPTA ser ud til at være mere effektiv og at fungere under lavere fotonintensitet. Dette vil gøre det muligt for forskere at bruge ikke-klassisk lys til at studere tilstande af molekyler, der er fundamentalt forskellige sammenlignet med tilstande, de kan studere med klassiske lysteknikker.

Forskere har ofte antaget, at farverne på to-fotonabsorption fra kvantelys og klassisk lys er de samme. I denne undersøgelse afslørede forskere fra University of Michigan og Northwestern University gennem en kombineret eksperimentel og teoretisk undersøgelse af et vigtigt organisk molekyle, zinktetraphenylporphyrin, at farverne af sammenfiltret to-fotonabsorption er bemærkelsesværdigt forskellige fra den tilsvarende klassiske pendant og også fra en-foton resonansabsorption med fotoner med fordoblet frekvens.

Dette skyldes involvering af forskellige elektroniske exciterede tilstande. Resultaterne viser, at de vigtigste exciterede tilstande for både klassisk og kvantelysexcitation har høje elektroniske sammenfiltringer. Resultaterne viser også, at ETPA giver mulighed for at sondere molekyler med ikke-klassisk lys, der er utilgængelige med klassisk lys, eller for at forbedre deres kvantelysrespons under ekstremt lav excitationsintensitet.

ETPA kan være særlig nyttig til at løse den langvarige udfordring med fotoskader og fototoksicitet i bioimaging, især i komplekse biologiske molekyler. Dette ville udvide forskernes evne til at udføre ikke-destruktiv billeddannelse af komplekse biomolekyler. Af særlig interesse er implementeringen af ​​ETPA-billeddannelsesmodaliteten til at overvåge langsigtet rumlig og tidsmæssig dynamik af bakteriel genekspression i underjordens rhizosfære. Derudover kunne identifikation af farverne af en sådan sammenfiltret to-foton-absorption føre til reduktion i dataindsamlingstid og samtidig opretholde en ekstrem lav excitationsintensitet.