В лаборатории физической химии Швейцарской высшей технической школы Цюриха была реализована однофотонная спектроскопия одиночных молекул.

Напомним: основной задачей спектроскопии считается нахождение частот излучения, способных перевести молекулу в возбуждённое состояние, и построение спектров поглощения и испускания. Когда подобные опыты выполняются на уровне одиночных частиц вещества и квантов света, физики сталкиваются с очень серьёзными проблемами: необходимо найти подходящий источник фотонов с изменяемой длиной волны, направить их к выбранной молекуле и зарегистрировать результаты взаимодействия (поглощение кванта), вероятность которого чрезвычайно мала.

Чтобы упростить задачу согласования слабого источника излучения с приёмником, можно сделать эти ключевые элементы схемы однотипными. Именно так и поступили швейцарцы, построившие цепь передачи одиночных фотонов между молекулами органического красителя дибензантантрена, внедрёнными в тетрадекановую матрицу и охлаждёнными до 1,4 К. Матрицы, подготовленные для экспериментов, были установлены в криогенных конфокальных микроскопах, разнесённых на несколько метров и соединённых с помощью оптоволокна.

Рис. 1. Одиночная молекула посылает фотоны второй молекуле дибензантантрена, расположенной на довольно большом расстоянии от первой. (Иллюстрация Robert Lettow).

Для возбуждения в первом образце молекул, которые должны испускать одиночные фотоны, использовалось лазерное излучение на длине волны около 589 нм. Поскольку на спектр поглощения молекул влияло их непосредственное окружение, а частота испускаемых квантов подстраивалась с использованием эффекта Штарка при подаче напряжения на микроэлектроды, размещённые на подложке первого образца, учёные получили возможность выбирать конкретные частицы дибензантантрена и проводить спектроскопические измерения.

Результаты этих измерений, оказавшихся вполне успешными, фиксировали лавинные фотодиоды.

По мнению авторов, опробованная ими схема подходит не только для отдельных молекул. Возможно, аналогичные опыты с квантовыми точками, F-центрами или какими-то другими источниками одиночных квантов света будут не менее продуктивными.

Результаты исследований опубликованы в статье:

Y. L. A. Rezus, S. G. Walt, R. Lettow, A. Renn, G. Zumofen, S. Götzinger and V. Sandoghdar Single-Photon Spectroscopy of a Single Molecule. – Phys. Rev. Lett. – 2012. – 108. – 093601 [5 pages]