重磅！实现精确研究单个分子，且不会影响量子-光谱学与光谱分析

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重磅！实现精确研究单个分子，且不会影响量子

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巴塞尔大学的科学家开发了一种新方法，可用于准确研究单个孤立分子，而不会破坏分子甚至不影响其量子态。他的研究成果发表在《科学》杂志上。这种高灵敏度的分子检测技术得到广泛应用，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。光谱分析基于物质与光的相互作用，是研究分子性质最重要的实验工具。

在一个典型的光谱实验中，有很多分子样品被直接照射。分子只能吸收具有明确定义的波长的光，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。在这些实验中，分子受到扰动，改变了它们的量子态。

在很多情况下，甚至需要破坏分子来检测光谱激发。对这些激发的波长和强度的分析提供了有关分子的化学结构和运动（例如旋转或振动）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 教授的研究团队开发了一项新技术。

（如上所示）一个带电的氮分子和一个带电的光学晶格中的钙原子。图片：巴塞尔大学化学系

这项新技术可以在单个分子水平上进行光谱测量。这里以单个带电的氮分子为例。这种新技术不会干扰分子。它甚至不会扰乱它的量子态。在实验中，分子被困在射频陷阱中并冷却到接近绝对零的温度（大约 -273°C）。为了能够冷却，一个辅助原子（在这种情况下是一个带电的钙原子）同时被捕获并放置在分子旁边。这种空间接近性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

然后，通过将两束激光束聚焦在粒子上形成所谓的光学晶格，在分子上产生力。这种光力的强度随着照射波长接近分子中的光谱激发而增加，从而促进分子在陷阱中的振动，而不是其激发。因此，振动的强度与光谱跃迁的接近程度有关，并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，可以检索与传统光谱实验相同的分子信息。

这是一种新型的力谱方法，引入引入了几个新概念：第一，它依赖于单个分子而不是大集合；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（通过相邻原子），没有直接的激发光谱跃迁。因此，分子的量子态保持不变，可以连续重复测量。因此，这种方法比现有的依赖大量分子直接激发和破坏的光谱方法灵敏得多。

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实现的。使用这种新方法，可以在非常敏感和精确定义的条件下，在单分子水平上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基于单个分子的超精密时钟的开发，或者物理常数是否真的恒定或随时间变化。

博客园｜研究/来自：巴塞尔大学

文章来源：《光谱学与光谱分析》网址: http://www.gpxygpfxzz.cn/zonghexinwen/2021/0707/439.html