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 Medikamente aus der CLOUD: Neuer Standard für die Suche nach Wirkstoffkombinationen
23.05.2017 | CeMM Forschungszentrum für Molekulare Medizin der Österreichischen Akademie der Wissenschaften

nachricht Mikro-Lieferservice für Dünger
23.05.2017 | 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: Tumult im trägen Elektronen-Dasein

Ein internationales Team von Physikern hat erstmals das Streuverhalten von Elektronen in einem nichtleitenden Material direkt beobachtet. Ihre Erkenntnisse könnten der Strahlungsmedizin zu Gute kommen.

Elektronen in nichtleitenden Materialien könnte man Trägheit nachsagen. In der Regel bleiben sie an ihren Plätzen, tief im Inneren eines solchen Atomverbunds....

Im Focus: Turmoil in sluggish electrons’ existence

An international team of physicists has monitored the scattering behaviour of electrons in a non-conducting material in real-time. Their insights could be beneficial for radiotherapy.

We can refer to electrons in non-conducting materials as ‘sluggish’. Typically, they remain fixed in a location, deep inside an atomic composite. It is hence...

Im Focus: Hauchdünne magnetische Materialien für zukünftige Quantentechnologien entwickelt

Zweidimensionale magnetische Strukturen gelten als vielversprechendes Material für neuartige Datenspeicher, da sich die magnetischen Eigenschaften einzelner Molekülen untersuchen und verändern lassen. Forscher haben nun erstmals einen hauchdünnen Ferrimagneten hergestellt, bei dem sich Moleküle mit verschiedenen magnetischen Zentren auf einer Goldfläche selbst zu einem Schachbrettmuster anordnen. Dies berichten Wissenschaftler des Swiss Nanoscience Institutes der Universität Basel und des Paul Scherrer Institutes in der Wissenschaftszeitschrift «Nature Communications».

Ferrimagneten besitzen zwei magnetische Zentren, deren Magnetismus verschieden stark ist und in entgegengesetzte Richtungen zeigt. Zweidimensionale, quasi...

Im Focus: Neuer Ionisationsweg in molekularem Wasserstoff identifiziert

„Wackelndes“ Molekül schüttelt Elektron ab

Wie reagiert molekularer Wasserstoff auf Beschuss mit intensiven ultrakurzen Laserpulsen? Forscher am Heidelberger MPI für Kernphysik haben neben bekannten...

Im Focus: Wafer-thin Magnetic Materials Developed for Future Quantum Technologies

Two-dimensional magnetic structures are regarded as a promising material for new types of data storage, since the magnetic properties of individual molecular building blocks can be investigated and modified. For the first time, researchers have now produced a wafer-thin ferrimagnet, in which molecules with different magnetic centers arrange themselves on a gold surface to form a checkerboard pattern. Scientists at the Swiss Nanoscience Institute at the University of Basel and the Paul Scherrer Institute published their findings in the journal Nature Communications.

Ferrimagnets are composed of two centers which are magnetized at different strengths and point in opposing directions. Two-dimensional, quasi-flat ferrimagnets...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Diabetes Kongress 2017:„Closed Loop“-Systeme als künstliche Bauchspeicheldrüse ab 2018 Realität

23.05.2017 | Veranstaltungen

Aachener Werkzeugmaschinen-Kolloquium 2017: Internet of Production für agile Unternehmen

23.05.2017 | Veranstaltungen

14. Dortmunder MST-Konferenz zeigt individualisierte Gesundheitslösungen mit Mikro- und Nanotechnik

22.05.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Medikamente aus der CLOUD: Neuer Standard für die Suche nach Wirkstoffkombinationen

23.05.2017 | Biowissenschaften Chemie

Diabetes Kongress 2017:„Closed Loop“-Systeme als künstliche Bauchspeicheldrüse ab 2018 Realität

23.05.2017 | Veranstaltungsnachrichten

CAST-Projekt setzt Dunkler Materie neue Grenzen

23.05.2017 | Physik Astronomie