Einzelnes Molekül als Mikrophon

  • 02. October 2014

Schallschwingungen in der Umge­bung verän­dern mole­ku­lare Anregungs­energien.

Anhand der Fluoreszenz eines einzelnen Moleküls lassen sich Schall­schwing­ungen in der Umgebung des Teilchens sichtbar machen. Auf diesem Prinzip haben jetzt Forscher um Michel Orrit an der Universität Leiden ein molekulares Mikrophon entwickelt. Orrit und seine Kollegen nutzen eine Idee der Gruppe von Fabio Pistolesi an der Universität Bordeaux. Demnach zeigt das Absorptions­spektrum von Molekülen, die in einen Kristall eingebettet sind, bei tiefen Temperaturen eine scharf definierte elektronische Anregungs­energie, da bei der entsprechenden Anregung keine Phononen entstehen. Die geringe Linien­breite der Anregung ermöglicht es, den Einfluss der Umgebung des Moleküls auf die Energie dieses Null-Phononen-Übergangs zu studieren. So sollten Schall­schwingungen im Kristall die Fluoreszenz des Moleküls merklich verändern.

Abb.: Der mit DBT-Molekülen dotierte Anthrazenkristall sitzt auf einer Stimmgabel aus Quarz (a). Der Null-Phononen-Übergang eines DBT-Moleküls hat eine Breite von etwa 50 MHz (schwarze Kurve) und wird auf der hochfrequenten Seite (gestrichelte Linie) optisch angeregt (b). Die von der Schallwelle verursachte Kompression der Moleküle verschiebt den Übergang (rote Kurve), woraufhin die Fluoreszenz schwächer wird. (Bild: Y. Tian et al., APS)

Abb.: Der mit DBT-Molekülen dotierte Anthrazen­kristall sitzt auf einer Stimmgabel aus Quarz (a). Der Null-Phononen-Übergang eines DBT-Moleküls hat eine Breite von etwa 50 MHz (schwarze Kurve) und wird auf der hochfrequenten Seite (gestrichelte Linie) optisch angeregt (b). Die von der Schallwelle verursachte Kompression der Moleküle verschiebt den Übergang (rote Kurve), woraufhin die Fluoreszenz schwächer wird. (Bild: Y. Tian et al., APS)

Für ihr molekulares Mikrophon verwendeten Orrit und seine Mitarbeiter fluoreszierende Dibenzo­terrylen- oder DBT-Moleküle, die in geringer Zahl und deshalb vereinzelt in einen Anthrazen­kristall eingebettet waren. Da jedes einzelne DBT-Molekül eine geringfügig andere molekulare Umgebung hatte als die anderen, wies sein Null-Phononen-Übergang eine spezifische Anregungsenergie auf. Die Forscher konnten deshalb jedes einzelne Molekül gezielt optisch angeregen und sein Fluores­zenz­licht registrieren.

Den dotierten Anthrazenkristall klebten die Forscher an eine kleine Stimmgabel aus Quarz, die sie mit einer Frequenz von etwa 20 kHz elektrisch zum Schwingen brachten. Dadurch wurde der Anthrazen­kristall im Takt der Schwingungen verzerrt. Es entstanden in ihm Schallwellen, die die Anthrazen­moleküle periodisch zu den einzelnen DBT-Molekülen hin und wieder von ihnen weg bewegten. Alle Experimente fanden bei einer Temperatur von 1,5 K im Vakuum statt.

Welchen Einfluss die Schallwellen auf die DBT-Moleküle hatten, machten die Forscher sichtbar indem sie ein einzelnes Molekül mit einem Laser anregten und zur Fluoreszenz brachten. Dabei wurde die Laserfrequenz so gewählt, dass sie etwa 10 MHz über der Anregungsfrequenz des Null-Phononen-Übergangs des Moleküls lag, dessen Linienbreite etwa 50 MHz betrug.

Wenn die durch den Kristall laufende Schallwelle die Anthrazen-Moleküle, die das DBT-Molekül umgaben, komprimierte, dann verringerte sich die Anregungsfrequenz des Null-Phononen-Übergangs. Auf Grund dieser Verstimmung nahm die Intensität der Fluoreszenz ab. Wenn die Schallwelle die Anthrazen-Moleküle wieder auseinander zog, wurde die Fluoreszenz wieder stärker.

Da das Fluoreszenzleuchten des einzelnen DBT-Moleküls ziemlich schwach war, konnte man am zeitlichen Verlauf der Fluoreszenz­intensität die Schallschwingungen nicht direkt ablesen. Stattdessen analysierten die Forscher die Zählraten der einzeln registrierten Fluoreszenz­photonen und berechneten daraus die Fourier-Transformierte. Deren frequenzabhängige Amplitude zeigte ein deutlich ausgeprägtes Maximum bei der Schwingungs­frequenz der Stimmgabel. Das Molekül hatte somit die Schallschwingungen im Kristall sichtbar gemacht.

Das molekulare Mikrophon ist so empfindlich, dass es durch den Schall verursachte Bewegungen der Moleküle um etwa zehn Femtometer – etwa das Sechsfache des Protonen­durchmessers – registrieren kann. Verbessern ließe sich dies, indem man einerseits mehr Fluoreszenzlicht einsammelte und andererseits das fluoreszierende Molekül in einen Nano­oszillator einbettete. Auf diese Weise sollte sich eine Empfindlichkeit erreichen lassen, die es ermöglicht, den Quantenzustand eines nano­mechanischen Objektes zu bestimmten.

Dank der relativ geringen Größe der Moleküle ließen sich auch ortsaufgelöste Schallmessungen durchführen, zum Beispiel an Kristallfehlern. Da der Null-Phononen-Übergang der Moleküle nur bei sehr tiefen Temperaturen eine hinreichend scharfe Anregungs­frequenz hat, eignet sich das Verfahren wohl leider nicht für Untersuchungen an biologischen Proben.

Rainer Scharf

PH

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