Ein Quantenradio aus Molekülen

  • 29. February 2012

Einem Forschungsteam ist es erstmals gelungen, die Wechselwirkung eines einzigen Photons mit einem Einzelmolekül zu beobachten.

Radiohören ist selbstverständlich geworden: Ein Sender strahlt über Radiowellen Informationen aus, die der Hörer mit seinem Radiogerät empfängt, wenn er die richtige Frequenz eingestellt hat. Physiker der ETH Zürich und des MPI für die Physik des Lichts in Erlangen haben nun dieses Modell in die Welt der Quanten transferiert. In dem Experiment haben Forscher um Vahid Sandoghdar und sein Yves Rezus nachgewiesen, wie ein Einzelmolekül einzelne Photonen direkt absorbiert. Die Wissenschaftler haben es geschafft, mit einem Molekül einen Strom einzelner Photonen zu erzeugen und abzusenden. Als Empfänger der Lichtpartikel diente ein mehrere Meter von der Sendestation entferntes Einzelmolekül.

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

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


In den vergangenen zwanzig Jahren haben verschiedene Wissenschaftler gezeigt, dass sie Einzelmoleküle detektieren oder einzelne 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.

In ihrem Experiment kühlten die Physiker zwei Proben mit fluoreszierenden Molekülen, die mehrere Meter voneinander entfernt waren, auf etwa -272 Grad Celsius 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 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 wechselwirkt.

Ein Molekül ist nur etwa einen Nanometer groß, Licht kann aber aufgrund von Beugung nur auf einige hundert Nanometer genau fokussiert werden. Der Grossteil der Photonen fliegt also am Molekül vorbei, ohne dass die beiden interagieren. Haben die einfallenden Photonen allerdings genau die Frequenz die einem quantenmechanischen Energieübergang des Moleküls entspricht, dann wirkt dieses viel „größer“. Es arbeitet dann wie eine Antenne, die Licht aus ihrer Umgebung einsammelt.

„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 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 ein Strom von einzelnen Photonen die beiden Antennen.

Die Ergebnisse sollen den Weg zu weiteren Experimenten ebnen, in denen einzelne Photonen als Träger von Quantenformation mit Hilfe von einzelnen Atomen oder Molekülen weiter verarbeitet werden, so die Forscher.

ETH Zürich / PH

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