Forschungsmethode zur Analyse einzelner Moleküle entwickelt
Ein Forschungsteam der Universität Innsbruck hat einen neuen Ansatz zur Untersuchung einzelner Moleküle mit einer bislang unerreichten Empfindlichkeit präsentiert. Die Wissenschaftler konnten mittels quantenphysikalischer Verfahren die Absorption eines einzelnen Photons nachweisen und das Spektrum eines Calciumhydroxid-Moleküls bestimmen, ohne das Molekül während der Messung zu zerstören oder chemisch zu verändern.
Das Team unter der Leitung von Experimentalphysiker Philipp Schindler verwendete Methoden aus der Quanteninformationsverarbeitung. Dabei wird ein Molekülion mit einem kontrollierbaren Hilfsatom in einer Ionenfalle gekoppelt, was die Absorption von Licht signalisiert. Moleküle absorbieren Licht in Abhängigkeit von ihrer Struktur bei spezifischen Frequenzen, und das resultierende Absorptionsspektrum fungiert als einzigartiger Fingerabdruck.
Wenn das Molekül ein einzelnes Infrarot-Photon absorbiert, erfährt es einen minimalen Rückstoß, der normalerweise kaum zu messen ist. Die Forscher nutzen die Verschränkung des Molekülions mit dem Hilfsatom als quantenmechanischen Verstärker. Erstautor Zhenlin Wu erläutert, dass dieser Ansatz es ermöglicht, den Rückstoß des Photons durch einen speziellen Schrödinger-Katzen-Zustand messbar zu machen.
Das Team konnte dadurch die O-H-Streckschwingung des Calciumhydroxid-Molekülions präzise bestimmen. Die Ergebnisse stimmen mit theoretischen Berechnungen von Forschern der Universität Warschau überein. Ein entscheidender Vorteil dieser Methode besteht darin, dass die Messung zerstörungsfrei erfolgt.
Dieser innovative Ansatz könnte in Zukunft auch für die Analyse anderer komplexer Moleküle von Bedeutung sein und eröffnet neue Möglichkeiten für hochpräzise Spektroskopien sowie zukünftige Quantentechnologien. Die Grundlagen der Studie wurden durch einen ERC Starting Grant gefördert, den Philipp Schindler 2020 erhielt. Unterstützt wurde die Forschungsarbeit zudem vom Österreichischen Wissenschaftsfonds FWF, der Betty and Gordon Moore Foundation und der Forschungsförderungsgesellschaft FFG. Die Ergebnisse wurden im Fachjournal Nature veröffentlicht.
Einordnung
Diese neue Methode zur zerstörungsfreien Untersuchung einzelner Moleküle könnte erhebliche Auswirkungen auf die Quantenforschung und Spektroskopie haben. Die Möglichkeit, Moleküle ohne Zerstörung zu analysieren, erstellt innovative Perspektiven für zukünftige Anwendungen in der Materialwissenschaft und der Molekulardynamik.
