Kredit:Leiden Institute of Physics
Optisk detektion av en enda elektron med en enda molekyl har aldrig gjorts. Leidens fysiker Michel Orrit och hans team har nu identifierat en molekyl som är tillräckligt känslig för att detektera en elektron på ett avstånd av hundratals nanometer. Resultaten publiceras som en omslagsartikel i ChemPhysChem .
Fysiker har under en tid kunnat manipulera enstaka elektroner. Men de kan bara se dem som en del av en elektrisk ström som består av tusentals elektroner. Ett mål i fysik är en metod för att indirekt detektera enskilda elektroner med en enda molekyl. I framtiden, en kvantdator kan använda den här metoden för att lokalisera qubits med ljus utan att störa deras spin -kvanttillstånd - ett väsentligt krav för kvantdatorer. Leidens fysiker Michel Orrit och hans grupp har nu tagit ett första steg mot att utveckla denna teknik genom att identifiera ett molekylärt system som är tillräckligt känsligt för att detektera en elektron från hundratals nanometer bort.
Forskarna, inklusive huvudförfattare Zoran Ristanović och Amin Moradi, fann att den fluorescerande molekylen dibenzoterrylen (DBT) har två vitala egenskaper för detektion av en enda laddning - förutsatt att den ingår i en molekylkristall av 2, 3-dibromonaftalen. Först, DBT -molekyler fluorescerar, avger ett smalt spektrum av synligt ljus som är stabilt under längre perioder (fig. 1). Andra, de smala spektrallinjerna förskjuts avsevärt i närvaro av ett elektriskt fält (fig. 2). Detta kommer att bli ett tecken på en avgift i närheten, eftersom laddningar genererar ett sådant elektriskt fält.
Figur 1. Fluorescerande spektrallinjer för flera DBT -molekyler i frånvaro av ett elektriskt fält. Linjerna håller en stabil frekvens över tiden.
Orrit och hans kollegor visar att de enkelt kan upptäcka elektriska fält i storleksordningen 1 kV/cm (fig. 2) med en DBT-molekyl. Detta är mer än tillräckligt känsligt för att detektera en enda elektron vid 100 nm bort, vars elektriska fält är cirka 1,5 kV/cm. Genom att använda flera molekyler som svarar på samma sätt som ett elektriskt fält, fysikerna kan till och med använda triangulering för att hitta elektronens plats, liknande GPS. Nästa steg är att detektera en verklig elektron. Forskargruppen bygger för närvarande en enhet med en elektron för det experimentet.
Figur 2. De spektrala linjerna påverkas starkt av ett elektriskt fält. (I avsaknad av ett elektriskt fält är de horisontella, se fig. 1.) Frekvensändringen ger bort närvaron av ett elektriskt fält. En elektron genererar ett elektriskt fält som är 1,5 kV/cm vid 100 nm avstånd, så frekvensskiftet skulle vara tillräckligt stort för att detektera detta fält.
