重磅！实现精确研究单个分子，且不会影响量子态，不会破坏分子！

jimmy肖明

巴塞尔大学科学家已经开发出一种新方法，可以用来精确研究单个孤立的分子，而且不会破坏分子，甚至不会影响其量子态。其研究成果发表在《科学》期刊上，这种高灵敏度的分子探测技术应用广泛，为量子科学、光谱学和化学领域的一系列新应用铺平了道路。光谱分析是基于物质与光的相互作用，是研究分子性质的最重要实验工具。


在典型的光谱实验中，含有大量分子的样品被直接照射。分子只能吸收定义明确波长的光，这些波长对应于它们两个量子态之间的能量差，这称为光谱激发。在这些实验过程中，分子受到扰动，改变了它们的量子态。
在许多情况下，甚至必须破坏分子才能检测到光谱激发。对这些激发的波长和强度的分析，提供了关于分子化学结构和运动（如旋转或振动）的信息。受为操纵原子而开发的量子方法的启发，巴塞尔大学化学系Stefan Willitsch教授的研究小组开发了一种新技术。


（上图所示）一个带电的氮分子和光学晶格中一个带电的钙原子。图片：University of Basel, Department of Chemistry
这项新技术可以在单个分子的水平上进行光谱测量，这里以单个带电的氮分子为例，这项新技术不会干扰分子，甚至不会扰乱其量子态。在实验中，分子被困在射频陷阱中，并冷却到温度接近绝对零度(约-273°C)。为了能够冷却，一个辅助原子（这里是单个带电的钙原子）同时被捕获并定位在分子旁边。这种空间上的接近对于分子光谱研究也是必不可少的。
光学晶格中的单个分子
之后通过将两束激光束聚焦在粒子上以形成所谓的光学晶格，从而在分子上产生力。这种光学力的强度随着辐照波长接近分子中的光谱激发而增加，从而促使分子在陷阱内的振动，而不是它的激发。因此，振动的强度与光谱跃迁接近程度有关，并被传递到邻近的钙原子，从那里可以高灵敏度地检测到振动。通过这种方式，可以检索到与传统光谱实验中相同关于分子的信息。


这是一种新型的力谱方法，引入了几个新概念：第一，它依赖于单分子而不是大的系综；其次，它代表了一种完全非侵入性的技术，因为检测是间接完成的（通过邻近原子），不需要直接激发光谱跃迁。因此，分子的量子态保持不变，还可以连续重复测量。因此，该方法比现有依赖于大量分子的直接激发和破坏的光谱方法要灵敏得多。
多种应用
新方法具有广泛的应用前景：力谱技术可以对分子进行极其精确的测量，这是传统光谱技术无法做到的。使用新方法，可以在单分子水平上在非常灵敏和精确定义的条件下，研究分子的性质和化学反应。它还为研究基本问题铺平了道路，例如物理常数是真的恒定还是随时间变化。更实际的应用可能是开发基于单个分子的超精密时钟，或者应用于物理常数是真的恒定，还是随时间变化。


博科园｜研究/来自：巴塞尔大学
参考期刊《科学期刊》
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