Onderzoekers van de Universiteit van Basel hebben een nieuwe methode ontwikkeld waarmee individuele geïsoleerde moleculen nauwkeurig kunnen worden bestudeerd – zonder het molecuul te vernietigen of zelfs de kwantumtoestand ervan te beïnvloeden. Deze zeer gevoelige techniek voor het onderzoeken van moleculen is breed toepasbaar en maakt de weg vrij voor een reeks nieuwe toepassingen op het gebied van de kwantumwetenschap, spectroscopie en scheikunde, als het journaal Wetenschap rapporten.

Spectroscopische analyses zijn gebaseerd op de interactie van materie met licht en vormen het belangrijkste experimentele instrument om de eigenschappen van moleculen te bestuderen. In typische spectroscopische experimenten, een monster met een groot aantal moleculen wordt direct bestraald. De moleculen kunnen alleen licht absorberen bij goed gedefinieerde golflengten die overeenkomen met energieverschillen tussen twee van hun kwantumtoestanden. Dit wordt een spectroscopische excitatie genoemd.

In de loop van deze experimenten, de moleculen zijn verstoord en veranderen hun kwantumtoestand. Vaak, de moleculen moeten zelfs worden vernietigd om de spectroscopische excitaties te detecteren. De analyse van de golflengten en de intensiteiten van deze excitaties geven informatie over de chemische structuur van de moleculen en hun bewegingen zoals rotaties of trillingen.

Geïnspireerd door kwantummethoden ontwikkeld voor de manipulatie van atomen, de onderzoeksgroep van Prof. Stefan Willitsch van de afdeling Scheikunde van de Universiteit van Basel heeft een nieuwe techniek ontwikkeld die spectroscopische metingen op het niveau van een enkel molecuul mogelijk maakt, hier als voorbeeld een enkele, geladen stikstofmolecuul. De nieuwe techniek verstoort het molecuul niet en verstoort zelfs zijn kwantumtoestand niet.

In hun experimenten, het molecuul wordt gevangen in een radiofrequentieval en afgekoeld tot nabij het absolute nulpunt van de temperatuurschaal (ca. -273 °C). Om koeling mogelijk te maken, een hulpatoom (hier een enkel, geladen calciumatoom) wordt tegelijkertijd gevangen en gelokaliseerd naast het molecuul. Deze ruimtelijke nabijheid is ook essentieel voor de daaropvolgende spectroscopische studie van het molecuul.

Een enkel molecuul in een optisch rooster

Vervolgens, er wordt een kracht op het molecuul gegenereerd door twee laserstralen op de deeltjes te focussen om een ​​zogenaamd optisch rooster te vormen. De sterkte van deze optische kracht neemt toe met de nabijheid van de bestraalde golflengte tot een spectroscopische excitatie in het molecuul, wat resulteert in een trilling van het molecuul in de val in plaats van zijn excitatie.

De sterkte van de trilling is dus gerelateerd aan de nabijheid van een spectroscopische overgang en wordt met hoge gevoeligheid doorgegeven aan het naburige calciumatoom van waaruit het wordt gedetecteerd. Op deze manier, dezelfde informatie over het molecuul kan worden opgehaald als in een conventioneel spectroscopisch experiment.

Deze methode, wat een nieuw type krachtspectroscopie is, introduceert een aantal nieuwe concepten:Ten eerste, het vertrouwt op enkele moleculen in plaats van op grote ensembles. Tweede, het vertegenwoordigt een volledig niet-invasieve techniek omdat detectie indirect plaatsvindt (via een naburig atoom) en zonder directe excitatie van spectroscopische overgangen. Daarom, de kwantumtoestand van het molecuul blijft intact, zodat de meting continu kan worden herhaald. Als resultaat, de methode is veel gevoeliger dan gevestigde spectroscopische methoden die afhankelijk zijn van de directe excitatie en vernietiging van een groot aantal moleculen.

Toepassingen in uiterst nauwkeurige klokken en bouwstenen voor kwantumcomputers

Er is een scala aan potentiële toepassingen van de nieuwe methode, Prof. Willitsch legt uit:"Ons type krachtspectroscopie maakt extreem nauwkeurige metingen mogelijk aan moleculen die niet mogelijk zijn met conventionele spectroscopische technieken. Met de nieuwe methode, men kan moleculaire eigenschappen en chemische reacties bestuderen in zeer gevoelig en onder nauwkeurig gedefinieerde omstandigheden op het niveau van een enkel molecuul. Het maakt ook de weg vrij voor onderzoek naar fundamentele vragen, zoals of fysieke constanten echt constant zijn of met de tijd variëren. Een meer praktische toepassing zou de ontwikkeling van een ultranauwkeurige klok kunnen zijn op basis van een enkel molecuul, of de toepassing van moleculen als bouwstenen voor kwantumcomputers."