Spektroskopi är studien av hur materia absorberar och avger ljus och annan strålning. Det gör det möjligt för forskare att studera strukturen hos atomer och molekyler, inklusive energinivåerna för deras elektroner. Klassisk optisk spektroskopi bygger på hur ljuspartiklar som kallas fotoner interagerar med materia. Dessa klassiska spektroskopitekniker inkluderar en-fotonabsorption (OPA) och två-fotonabsorption (TPA).

Kvantljusspektroskopi förlitar sig istället på en egenskap hos kvantmekaniken som kallas entanglement. Detta är en inneboende koppling mellan partiklar som innebär att en foton inte kan förändras utan att den andra också förändras, oavsett hur långt ifrån varandra de är. Ny forskning har undersökt en kvantljusspektroskopiteknik som kallas entangled two-photon absorption (ETPA) som drar fördel av intrassling för att avslöja strukturerna hos molekyler och hur ETPA verkar vid ultrasnabba hastigheter för att bestämma egenskaper som inte kan ses med klassisk spektroskopi.

Resultaten publiceras i tidskriften Proceedings of the National Academy of Sciences .

Denna forskning visade att ETPA kan få annan information om molekyler än vad OPA och TPA-tekniker kan få. EPTA verkar vara mer effektivt och fungera under lägre fotonintensitet. Detta kommer att göra det möjligt för forskare att använda icke-klassiskt ljus för att studera tillstånd hos molekyler som är fundamentalt annorlunda jämfört med tillstånd som de kan studera med klassisk ljusteknik.

Forskare har ofta antagit att färgerna för tvåfotonabsorption från kvantljus och klassiskt ljus är desamma. I denna studie avslöjade forskare från University of Michigan och Northwestern University genom en kombinerad experimentell och teoretisk studie av en viktig organisk molekyl, zinktetrafenylporfyrin, att färgerna på intrasslad tvåfotonabsorption skiljer sig anmärkningsvärt från motsvarande klassiska motsvarighet och även från en-foton resonansabsorption med fotoner med fördubblad frekvens.

Detta beror på inblandningen av distinkta elektroniska exciterade tillstånd. Resultaten visar att de viktigaste exciterade tillstånden för både klassisk och kvantljusexcitation har höga elektroniska intrasslingar. Resultaten visar också att ETPA ger möjlighet att sondera molekyler med icke-klassiskt ljus som är otillgängliga med klassiskt ljus eller att förbättra deras kvantljusrespons under extremt låg excitationsintensitet.

ETPA kan vara särskilt användbar för att lösa den långvariga utmaningen med fotoskada och fototoxicitet vid bioavbildning, särskilt i komplexa biologiska molekyler. Detta skulle utöka forskarnas förmåga att utföra oförstörande avbildning av komplexa biomolekyler. Av särskilt intresse är implementeringen av ETPA-avbildningsmodaliteten för att övervaka långsiktiga rumsliga och tidsmässiga dynamiken hos bakteriell genuttryck i underjordens rhizosfär. Dessutom kan identifiering av färgerna för en sådan intrasslad tvåfotonabsorption leda till minskning av datainsamlingstiden samtidigt som en extremt låg excitationsintensitet bibehålls.