Fysici zien de absorptie van een enkel lichtdeeltje

Naast fundamentele inzichten biedt het experiment ook aanknopingspunten voor de bouw van een zogenaamde quantumcomputer: een computer die gebruik maakt van individuele atomen of moleculen voor het opslaan en verwerken van informatie. De resultaten van het onderzoek zijn gepubliceerd in Physical Review Letters.

De wisselwerking tussen licht en materie is één van de meest fundamentele processen uit de fysica. Door deze wisselwerking zien we dat gras groen is, dat een wateroppervlak spiegelt en dat de hemel blauw kleurt. Deze optische verschijnselen zijn uiteindelijk terug te voeren op elementaire botsingsprocessen tussen lichtdeeltjes en materiedeeltjes, dat wil zeggen tussen fotonen en moleculen. Als we kijken naar de individuele deeltjes dan is de kans op een ‘botsing’ tussen een foton en een molecuul echter uiterst gering. Ons begrip van optische verschijnselen is gebaseerd op experimenten die gebruik maken van ontelbare hoeveelheden fotonen en moleculen.

Speld in een hooiberg

Onder normale omstandigheden is de kans dat een langsvliegend foton door een molecuul wordt geabsorbeerd, ofwel tegengehouden, ontzettend klein. Je kunt je het molecuul voorstellen als een schijfje dat licht tegenhoudt. De grootte van dat schijfje, de absorptiedoorsnede, geeft aan hoeveel licht een molecuul kan absorberen. Deze denkbeeldige schijfjes zijn erg klein, meestal veel kleiner dan de grootte van een molecuul. Alleen voor de sterkst absorberende moleculen geldt dat de grootte van dit schijfje ongeveer overeenkomt met de werkelijke grootte van zo’n molecuul. Om één absorptieproces te kunnen waarnemen moeten we ongeveer tien miljoen fotonen op een molecuul afvuren. Het bestuderen van de wisselwerking van lichtdeeltjes met één enkel molecuul heeft dus iets weg van het zoeken naar een speld in een hooiberg.

De zwakke wisselwerking is het gevolg van botsingen van het molecuul met moleculen uit zijn omgeving. Het molecuul wordt als het ware voortdurend gestoord bij zijn wisselwerking met het licht. De onderzoekers koelden het molecuul af tot 1 graad boven het absolute nulpunt (-272 ºC) om deze storende invloed uit te schakelen. Bij deze temperatuur staan de moleculen bijna stil. Er treedt een bijzonder effect op waardoor het molecuul zich gaat gedragen als een ondoorzichtige schijf die een miljoen keer groter is dan het molecuul zelf. Om deze sterke wisselwerking tot stand te brengen moet de frequentie van de fotonen (in feite de kleur van het licht) echter uiterst precies passen op de resonantiefrequentie van het molecuul: deze mag niet meer dan een miljoenste van een procent afwijken.

Het experiment

Voor het experiment gebruiken Rezus en collega’s een molecuul van de kleurstof dibenzanthanthreen (DBATT). Dit molecuul is opgesloten in een transparant kristal. Om fotonen te genereren die precies de juiste frequentie hebben om door dit molecuul geabsorbeerd te worden gebruikte Rezus een tweede DBATT-molecuul in een ander kristal als lichtbron. Door dit bronkristal met groen laserlicht te beschijnen gaat het molecuul oranje fotonen uitzenden. Deze fotonen worden in een glasvezel opgevangen en naar het doelmolecuul geleid, waar een fotondetector de reflectie meet.

Een belangrijk punt hierbij is dat de onderzoekers de frequentie, of kleur, van de fotonen kunnen veranderen door met elektrodes een elektrische spanning te zetten over het bronmolecuul. Wanneer de frequentie van de fotonen precies past op de resonantiefrequentie van het DBATT-molecuul, meten de onderzoekers dat de reflectie iets afneemt: het bewijs dat het doelmolecuul fotonen heeft geabsorbeerd. Hiermee is voor het eerst de wisselwerking tussen individuele fotonen en een enkel molecuul aangetoond.

‘Single-photon spectroscopy of a single molecule’, Yves Rezus, Samuel Walt, Robert Lettow, Alois Renn, Gert Zumofen, Stephan Götzinger en Vahid Sandoghdar, Physical Review Letters.

Yves Rezus heeft dit onderzoek als postdoctoraal onderzoeker uitgevoerd aan de ETH Zürich in de Nano-Optica groep van Vahid Sandoghdar. De groep is onlangs verhuisd naar het Max Planck Institute for the Science of Light in Erlangen, Duitsland. Inmiddels heeft Rezus zijn eigen onderzoeksgroep Biomoleculaire Fotonica opgestart aan het FOM-instituut voor Atoom- en Molecuulfysica (Amolf).