Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Photon trifft Molekül

28.02.2012
Einem Forschungsteam der ETH Zürich und des Max Planck Instituts Erlangen ist es erstmals gelungen, die Wechselwirkung von einem einzigen Lichtpartikel mit einem Einzelmolekül zu beobachten. Damit legen sie die Grundlage für Anwendungen in der Kommunikation mit Quanten oder für optische Rechner.

Radiohören ist selbstverständlich geworden: Ein Sender strahlt über Radiowellen Informationen aus, die der Hörer zu Hause mit seinem Radio empfängt, wenn er die richtige Frequenz eingestellt hat. ETH-Physiker haben nun dieses Modell in die Welt der Quanten transferiert. In dem an der ETH realisierten Experiment haben Forscher um Vahid Sandoghdar, vormals Professor für Physikalische Chemie der ETH Zürich, und sein Postdoc Yves Rezus nachgewiesen, wie ein Einzelmolekül einzelne Photonen direkt absorbiert. Das Resultat des Experiments ist soeben in der Fachzeitschrift Physical Review Letters veröffentlicht worden.


Das Experiment aus der Perspektive eines Künstlers: Ein Molekül sendet einen Strom von einzelnen Photonen zu einem zweiten, weit entfernten Molekül. Bild: Robert Lettow

Die Wissenschaftler haben es geschafft, von einem Molekül aus einen Strom einzelner Photonen zu erzeugen und abzusenden. Als Empfänger der Lichtpartikel diente ein mehrere Meter von der Sendestation entferntes Einzelmolekül. Damit konnten die Forscher ein lang erdachtes Gedankenexperiment, nämlich die Wechselwirkung von Licht und Materie, der Physik umsetzen.

Gezielte Anregung illusorisch

In den vergangenen zwanzig Jahren haben verschiedene Wissenschaftler gezeigt, dass sie Einzelmoleküle detektieren oder Photonen kontrolliert erzeugen können. Die gezielte Anregung eines Moleküls durch einzelne Photonen war aber bisher nicht machbar. Die Wahrscheinlichkeit, dass das Molekül ein Photon tatsächlich «sieht» und absorbiert, ist nämlich sehr klein. In bisherigen Experimenten haben die Forscher deshalb pro Sekunde Tausende Milliarden von Photonen auf ein Molekül gerichtet, um überhaupt ein Signal von diesem zu empfangen.

Eine der vielen Schwierigkeiten, die das Team auf dem Weg zu diesem Experiment überwinden konnten, ist die Realisierung einer geeigneten Einzelphotonenquelle mit der richtigen Frequenz und Bandbreite. Da es solche nicht kommerziell erhältlich sind, mussten sie erst eine geeignete Quelle bauen. Dabei haben sie ausgenutzt, dass ein Molekül Licht «schlucken» und dadurch Energie aufnehmen kann, also durch die Absorption eines Photons in den angeregten Zustand übergeht. Nach ein paar Nanosekunden zerfällt dieser Zustand wieder, das Molekül geht in den Grundzustand zurück und gibt dabei genau ein Photon ab.

Experiment nahe absolutem Nullpunkt

In ihrem Experiment kühlten die Physiker zwei Proben mit fluoreszierenden Molekülen, die mehrere Meter voneinander entfernt waren, auf etwa -272 °C ab. In jeder Probe identifizierten die Wissenschaftler schliesslich ein einzelnes geeignetes Molekül.

Um einen Strom räumlich getrennter einzelner Photonen zu erzeugen, regten sie das Molekül in der Quellen-Probe mit einem Laser an. Die entstehenden Lichtteilchen wurden aufgesammelt und stark auf das Molekül in der «Ziel»-Probe ausgerichtet. Um zu garantieren, dass das Molekül in dieser Probe das Photon «sieht», mussten die Forscher dafür sorgen, dass die Frequenz des Photons der Übergangsfrequenz des zweiten Moleküls entspricht. Ausserdem mussten sie sicherstellen, dass ein hoher Anteil der Einzelphotonen mit dem Ziel-Molekül interagiert.

Das Problem: Ein Molekül ist nur etwa ein Nanometer gross, also 100'000 Mal kleiner als der Durchmesser eines menschlichen Haares. Licht kann aber aufgrund von Beugung nur auf einige hundert Nanometer fokussiert werden. Für ein Licht von beliebiger Frequenz bedeutet das, dass der Grossteil der Photonen am Molekül vorbeifliegt, ohne dass das Molekül damit interagiert. Haben die einfallenden Photonen allerdings genau die gleiche Frequenz wie der quantenmechanische Übergang des Moleküls, dann wirkt dieses viel grösser. Das Molekül wirkt wie eine Antenne, die Licht aus ihrer Umgebung einsammelt.

Kommunikation von quantenoptischen Antennen

«Die Resultate sind das erste Beispiel für eine Kommunikation zweier quantenoptischer Antennen über grosse Distanzen», sagt Vahid Sandoghdar, «wenn man so will, ist dieses Experiment eine Analogie zu den von Hertz und Marconi im 19. Jahrhundert durchgeführten Demonstrationen mit Radioantennen.» Die beiden frühen Wissenschaftler verwendeten Dipol-Oszillatoren als Sender- und Empfängerantennen. In dem jetzt durchgeführten Experiment ahmen die zwei Moleküle dieses Szenario bei optischen Frequenzen nach. Hier verbindet allerdings ein Strom von einzelnen Photonen die beiden Antennen.

«Die Ergebnisse ebnen den Weg zu weiteren aufregenden Experimenten, in denen einzelne Photonen als Träger von Quantenformation mit Hilfe von einzelnen Atomen oder Molekülen weiter verarbeitet werden», sagt der frühere ETH-Professor. Die Experimente wurden an der ETH Zürich durchgeführt. Seine Gruppe arbeitet seit 2011 am neugegründete Max Planck Institut für die Physik des Lichts nach Erlangen.

Bis heute ist es eine Herausforderung, in die Welt der Quantenmechanik einzudringen. Dennoch hat die Forschung ein reges Interesse daran, deren Gesetze besser zu verstehen und nutzen zu können, da die Quantenmechanik effizientere und neuartige Möglichkeiten der Informationsverarbeitung verspricht. In dieser Welt agieren Atome und Moleküle als so genannte Quanten-Bits, verbunden durch einzelne Photonen.

Literaturhinweis: Rezus YLA, Walt SG, Lettow R, Renn A, Zumofen G, Götzinger S and Sandoghdar V: Single-Photon Spectroscopy of a Single Molecule. Physical Review Letters, Published Online 27th February 2012.

Kontakt: vahid.sandoghdar@mpl.mpg.de

Media Relations | idw
Weitere Informationen:
http://www.mpl.mpg.de
http://www.ethz.ch

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Glykane als Biomarker für Krebs?
27.06.2017 | Gesellschaft Deutscher Chemiker e.V.

nachricht Selbstfaltendes Origami
27.06.2017 | Gesellschaft Deutscher Chemiker e.V.

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Biowissenschaften Chemie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Vorbild Delfinhaut: Elastisches Material vermindert Reibungswiderstand bei Schiffen

Für eine elegante und ökonomische Fortbewegung im Wasser geben Delfine den Wissenschaftlern ein exzellentes Vorbild. Die flinken Säuger erzielen erstaunliche Schwimmleistungen, deren Ursachen einerseits in der Körperform und andererseits in den elastischen Eigenschaften ihrer Haut zu finden sind. Letzteres Phänomen ist bereits seit Mitte des vorigen Jahrhunderts bekannt, konnte aber bislang nicht erfolgreich auf technische Anwendungen übertragen werden. Experten des Fraunhofer IFAM und der HSVA GmbH haben nun gemeinsam mit zwei weiteren Forschungspartnern eine Oberflächenbeschichtung entwickelt, die ähnlich wie die Delfinhaut den Strömungswiderstand im Wasser messbar verringert.

Delfine haben eine glatte Haut mit einer darunter liegenden dicken, nachgiebigen Speckschicht. Diese speziellen Hauteigenschaften führen zu einer signifikanten...

Im Focus: Kaltes Wasser: Und es bewegt sich doch!

Bei minus 150 Grad Celsius flüssiges Wasser beobachten, das beherrschen Chemiker der Universität Innsbruck. Nun haben sie gemeinsam mit Forschern in Schweden und Deutschland experimentell nachgewiesen, dass zwei unterschiedliche Formen von Wasser existieren, die sich in Struktur und Dichte stark unterscheiden.

Die Wissenschaft sucht seit langem nach dem Grund, warum ausgerechnet Wasser das Molekül des Lebens ist. Mit ausgefeilten Techniken gelingt es Forschern am...

Im Focus: Hyperspektrale Bildgebung zur 100%-Inspektion von Oberflächen und Schichten

„Mehr sehen, als das Auge erlaubt“, das ist ein Anspruch, dem die Hyperspektrale Bildgebung (HSI) gerecht wird. Die neue Kameratechnologie ermöglicht, Licht nicht nur ortsaufgelöst, sondern simultan auch spektral aufgelöst aufzuzeichnen. Das bedeutet, dass zur Informationsgewinnung nicht nur herkömmlich drei spektrale Bänder (RGB), sondern bis zu eintausend genutzt werden.

Das Fraunhofer IWS Dresden entwickelt eine integrierte HSI-Lösung, die das Potenzial der HSI-Technologie in zuverlässige Hard- und Software überführt und für...

Im Focus: Can we see monkeys from space? Emerging technologies to map biodiversity

An international team of scientists has proposed a new multi-disciplinary approach in which an array of new technologies will allow us to map biodiversity and the risks that wildlife is facing at the scale of whole landscapes. The findings are published in Nature Ecology and Evolution. This international research is led by the Kunming Institute of Zoology from China, University of East Anglia, University of Leicester and the Leibniz Institute for Zoo and Wildlife Research.

Using a combination of satellite and ground data, the team proposes that it is now possible to map biodiversity with an accuracy that has not been previously...

Im Focus: Klima-Satellit: Mit robuster Lasertechnik Methan auf der Spur

Hitzewellen in der Arktis, längere Vegetationsperioden in Europa, schwere Überschwemmungen in Westafrika – mit Hilfe des deutsch-französischen Satelliten MERLIN wollen Wissenschaftler ab 2021 die Emissionen des Treibhausgases Methan auf der Erde erforschen. Möglich macht das ein neues robustes Lasersystem des Fraunhofer-Instituts für Lasertechnologie ILT in Aachen, das eine bisher unerreichte Messgenauigkeit erzielt.

Methan entsteht unter anderem bei Fäulnisprozessen. Es ist 25-mal wirksamer als das klimaschädliche Kohlendioxid, kommt in der Erdatmosphäre aber lange nicht...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Internationale Fachkonferenz IEEE ICDCM - Lokale Gleichstromnetze bereichern die Energieversorgung

27.06.2017 | Veranstaltungen

Internationale Konferenz zu aktuellen Fragen der Stammzellforschung

27.06.2017 | Veranstaltungen

Fraunhofer FKIE ist Gastgeber für internationale Experten Digitaler Mensch-Modelle

27.06.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Warnsystem KATWARN startet international vernetzten Betrieb

27.06.2017 | Informationstechnologie

Digitalanzeige mit Touchscreen WAY-AX & WAY-DX von WayCon

27.06.2017 | Energie und Elektrotechnik

Der Krümmung einen Schritt voraus

27.06.2017 | Informationstechnologie