Unter Spektroskopie versteht man die Untersuchung, wie Materie Licht und andere Strahlung absorbiert und emittiert. Es ermöglicht Wissenschaftlern, die Struktur von Atomen und Molekülen zu untersuchen, einschließlich der Energieniveaus ihrer Elektronen. Die klassische optische Spektroskopie basiert auf der Art und Weise, wie Lichtteilchen, sogenannte Photonen, mit Materie interagieren. Zu diesen klassischen Spektroskopietechniken gehören die Ein-Photonen-Absorption (OPA) und die Zwei-Photonen-Absorption (TPA).
Die Quantenlichtspektroskopie beruht stattdessen auf einer Eigenschaft der Quantenmechanik, die als Verschränkung bezeichnet wird. Dies ist eine intrinsische Verbindung zwischen Teilchen, was bedeutet, dass sich ein Photon nicht ändern kann, ohne dass sich auch das andere ändert, egal wie weit sie voneinander entfernt sind. Jüngste Forschungen haben eine Quantenlichtspektroskopietechnik namens „Verschränkte Zwei-Photonen-Absorption“ (ETPA) untersucht, die sich die Verschränkung zunutze macht, um die Strukturen von Molekülen aufzudecken und wie ETPA bei ultraschnellen Geschwindigkeiten wirkt, um Eigenschaften zu bestimmen, die mit klassischer Spektroskopie nicht sichtbar sind.
Die Ergebnisse sind veröffentlicht im Tagebuch Verfahren der Nationalen Akademie der Wissenschaften.
Diese Forschung zeigte, dass ETPA andere Informationen über Moleküle erhalten kann als OPA- und TPA-Techniken. EPTA scheint effizienter zu sein und bei geringerer Photonenintensität zu arbeiten. Dies wird es Wissenschaftlern ermöglichen, mit nichtklassischem Licht Zustände von Molekülen zu untersuchen, die sich grundlegend von den Zuständen unterscheiden, die sie mit klassischen Lichttechniken untersuchen können.
Wissenschaftler haben oft angenommen, dass die Farben der Zwei-Photonen-Absorption von Quantenlicht und klassischem Licht gleich sind. In dieser Studie zeigten Forscher der University of Michigan und der Northwestern University durch eine kombinierte experimentelle und theoretische Untersuchung eines wichtigen organischen Moleküls, Zinktetraphenylporphyrin, dass sich die Farben der Absorption verschränkter Zweiphotonen deutlich von den entsprechenden klassischen Gegenstücken unterscheiden aus Ein-Photonen-Resonanzabsorption mit Photonen doppelter Frequenz.
Dies ist auf die Beteiligung unterschiedlicher elektronischer Anregungszustände zurückzuführen. Die Ergebnisse zeigen, dass die wichtigsten Anregungszustände sowohl für klassische als auch für Quantenlichtanregung hohe elektronische Verschränkungen aufweisen. Die Ergebnisse zeigen auch, dass ETPA die Möglichkeit bietet, Moleküle mit nichtklassischem Licht zu untersuchen, die mit klassischem Licht nicht zugänglich sind, oder ihre Quantenlichtreaktion bei extrem geringer Anregungsintensität zu verstärken.
ETPA kann besonders nützlich sein, um die seit langem bestehende Herausforderung der Lichtschädigung und Phototoxizität in der Biobildgebung zu lösen, insbesondere bei komplexen biologischen Molekülen. Dies würde die Möglichkeiten der Forscher zur zerstörungsfreien Bildgebung komplexer Biomoleküle erweitern. Von besonderem Interesse ist die Implementierung der ETPA-Bildgebungsmodalität zur Überwachung der langfristigen räumlichen und zeitlichen Dynamik der bakteriellen Genexpression in der Rhizosphäre des Untergrunds. Darüber hinaus könnte die Identifizierung der Farben einer solchen verschränkten Zwei-Photonen-Absorption zu einer Verkürzung der Datenerfassungszeit bei gleichzeitiger Beibehaltung einer extrem niedrigen Anregungsintensität führen.
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Oleg Varnavski et al, Farben der verschränkten Zwei-Photonen-Absorption, Verfahren der Nationalen Akademie der Wissenschaften (2023). DOI: 10.1073/pnas.2307719120