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 Mit Barcodes der Zellentwicklung auf der Spur
17.08.2017 | Deutsches Krebsforschungszentrum

nachricht Magenkrebs: Auch Bakterien können Auslöser sein
17.08.2017 | Charité – Universitätsmedizin Berlin

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: Mit Barcodes der Zellentwicklung auf der Spur

Darüber, wie sich Blutzellen entwickeln, existieren verschiedene Auffassungen – sie basieren jedoch fast ausschließlich auf Experimenten, die lediglich Momentaufnahmen widerspiegeln. Wissenschaftler des Deutschen Krebsforschungszentrums stellen nun im Fachjournal Nature eine neue Technik vor, mit der sich das Geschehen dynamisch erfassen lässt: Mithilfe eines „Zufallsgenerators“ versehen sie Blutstammzellen mit genetischen Barcodes und können so verfolgen, welche Zelltypen aus der Stammzelle hervorgehen. Diese Technik erlaubt künftig völlig neue Einblicke in die Entwicklung unterschiedlicher Gewebe sowie in die Krebsentstehung.

Wie entsteht die Vielzahl verschiedener Zelltypen im Blut? Diese Frage beschäftigt Wissenschaftler schon lange. Nach der klassischen Vorstellung fächern sich...

Im Focus: Fizzy soda water could be key to clean manufacture of flat wonder material: Graphene

Whether you call it effervescent, fizzy, or sparkling, carbonated water is making a comeback as a beverage. Aside from quenching thirst, researchers at the University of Illinois at Urbana-Champaign have discovered a new use for these "bubbly" concoctions that will have major impact on the manufacturer of the world's thinnest, flattest, and one most useful materials -- graphene.

As graphene's popularity grows as an advanced "wonder" material, the speed and quality at which it can be manufactured will be paramount. With that in mind,...

Im Focus: Forscher entwickeln maisförmigen Arzneimittel-Transporter zum Inhalieren

Er sieht aus wie ein Maiskolben, ist winzig wie ein Bakterium und kann einen Wirkstoff direkt in die Lungenzellen liefern: Das zylinderförmige Vehikel für Arzneistoffe, das Pharmazeuten der Universität des Saarlandes entwickelt haben, kann inhaliert werden. Professor Marc Schneider und sein Team machen sich dabei die körpereigene Abwehr zunutze: Makrophagen, die Fresszellen des Immunsystems, fressen den gesundheitlich unbedenklichen „Nano-Mais“ und setzen dabei den in ihm enthaltenen Wirkstoff frei. Bei ihrer Forschung arbeiteten die Pharmazeuten mit Forschern der Medizinischen Fakultät der Saar-Uni, des Leibniz-Instituts für Neue Materialien und der Universität Marburg zusammen Ihre Forschungsergebnisse veröffentlichten die Wissenschaftler in der Fachzeitschrift Advanced Healthcare Materials. DOI: 10.1002/adhm.201700478

Ein Medikament wirkt nur, wenn es dort ankommt, wo es wirken soll. Wird ein Mittel inhaliert, muss der Wirkstoff in der Lunge zuerst die Hindernisse...

Im Focus: Exotische Quantenzustände: Physiker erzeugen erstmals optische „Töpfe" für ein Super-Photon

Physikern der Universität Bonn ist es gelungen, optische Mulden und komplexere Muster zu erzeugen, in die das Licht eines Bose-Einstein-Kondensates fließt. Die Herstellung solch sehr verlustarmer Strukturen für Licht ist eine Voraussetzung für komplexe Schaltkreise für Licht, beispielsweise für die Quanteninformationsverarbeitung einer neuen Computergeneration. Die Wissenschaftler stellen nun ihre Ergebnisse im Fachjournal „Nature Photonics“ vor.

Lichtteilchen (Photonen) kommen als winzige, unteilbare Portionen vor. Viele Tausend dieser Licht-Portionen lassen sich zu einem einzigen Super-Photon...

Im Focus: Exotic quantum states made from light: Physicists create optical “wells” for a super-photon

Physicists at the University of Bonn have managed to create optical hollows and more complex patterns into which the light of a Bose-Einstein condensate flows. The creation of such highly low-loss structures for light is a prerequisite for complex light circuits, such as for quantum information processing for a new generation of computers. The researchers are now presenting their results in the journal Nature Photonics.

Light particles (photons) occur as tiny, indivisible portions. Many thousands of these light portions can be merged to form a single super-photon if they are...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Einblicke ins menschliche Denken

17.08.2017 | Veranstaltungen

Eröffnung der INC.worX-Erlebniswelt während der Technologie- und Innovationsmanagement-Tagung 2017

16.08.2017 | Veranstaltungen

Sensibilisierungskampagne zu Pilzinfektionen

15.08.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Einblicke ins menschliche Denken

17.08.2017 | Veranstaltungsnachrichten

Filterschutz fürs Gehirn: Weniger Schlaganfälle bei Herzklappenersatz-OP

17.08.2017 | Medizintechnik

Magenkrebs: Auch Bakterien können Auslöser sein

17.08.2017 | Biowissenschaften Chemie