En laddad kvävemolekyl utfrågas av en laddad kalciumatom i ett optiskt gitter. Kredit:University of Basel, Institutionen för kemi
Forskare vid universitetet i Basel har utvecklat en ny metod med vilken enskilda isolerade molekyler kan studeras exakt - utan att förstöra molekylen eller ens påverka dess kvanttillstånd. Denna mycket känsliga teknik för att undersöka molekyler är allmänt tillämpbar och banar väg för en rad nya tillämpningar inom kvantvetenskap, spektroskopi och kemi, som tidningen Vetenskap rapporter.
Spektroskopiska analyser baseras på växelverkan mellan materia och ljus och representerar det viktigaste experimentella verktyget för att studera molekylernas egenskaper. I typiska spektroskopiska experiment, ett prov som innehåller ett stort antal molekyler bestrålas direkt. Molekylerna kan bara absorbera ljus vid väldefinierade våglängder som motsvarar energiskillnader mellan två av deras kvanttillstånd. Detta kallas en spektroskopisk excitation.
Under dessa experiment, molekylerna störs och förändrar deras kvanttillstånd. I många fall, molekylerna måste till och med förstöras för att detektera de spektroskopiska excitationerna. Analysen av våglängderna och intensiteten hos dessa excitationer ger information om molekylernas kemiska struktur och deras rörelser såsom rotationer eller vibrationer.
Inspirerad av kvantmetoder som utvecklats för manipulation av atomer, forskargruppen för professor Stefan Willitsch vid Institutionen för kemi vid universitetet i Basel har utvecklat en ny teknik som möjliggör spektroskopiska mätningar på nivån av en enda molekyl, här som ett exempel en singel, laddad kvävemolekyl. Den nya tekniken stör inte molekylen eller stör även dess kvanttillstånd.
I deras experiment, molekylen fångas i en radiofrekvensfälla och kyls ner till nära den absoluta nollpunkten för temperaturskalan (cirka -273 ° C). För att möjliggöra kylning, en hjälpatom (här en enda, laddad kalciumatom) fångas och lokaliseras samtidigt bredvid molekylen. Denna rumsliga närhet är också väsentlig för den efterföljande spektroskopiska studien av molekylen.
En enda molekyl i ett optiskt gitter
Senare, en kraft genereras på molekylen genom att fokusera två laserstrålar på partiklarna för att bilda ett så kallat optiskt gitter. Styrkan hos denna optiska kraft ökar med närheten av den bestrålade våglängden till en spektroskopisk excitation i molekylen vilket resulterar i en vibration av molekylen i fällan istället för dess excitation.
Vibrationens styrka är således relaterad till närheten till en spektroskopisk övergång och överförs till den närliggande kalciumatomen från vilken den detekteras med hög känslighet. På det här sättet, samma information om molekylen kan hämtas som i ett konventionellt spektroskopiskt experiment.
Den här metoden, som är en ny typ av kraftspektroskopi, introducerar flera nya koncept:För det första, den förlitar sig på enstaka molekyler istället för stora ensembler. Andra, det representerar en helt icke-invasiv teknik eftersom detektering sker indirekt (via en närliggande atom) och utan en direkt excitation av spektroskopiska övergångar. Därför, molekylens kvanttillstånd lämnas intakt, så att mätningen kan upprepas kontinuerligt. Som ett resultat, metoden är mycket känsligare än etablerade spektroskopiska metoder som förlitar sig på direkt excitation och förstörelse av ett stort antal molekyler.
Applikationer i extremt exakta klockor och byggstenar för kvantdatorer
Det finns en rad potentiella tillämpningar av den nya metoden, Professor Willitsch förklarar:"Vår typ av kraftspektroskopi möjliggör extremt exakta mätningar på molekyler som inte är möjliga med konventionella spektroskopiska tekniker. Med den nya metoden, man kan studera molekylära egenskaper och kemiska reaktioner i mycket känsligt och under exakt definierade förhållanden på enmolekylnivå. Det banar också väg för undersökningar av grundläggande frågor som om fysiska konstanter verkligen är konstanta eller varierar med tiden. En mer praktisk tillämpning kan vara utvecklingen av en extremt exakt klocka baserad på en enda molekyl - eller tillämpningen av molekyler som byggstenar för kvantdatorer. "