Ein Quantenlabor für Moleküle
Mit einer Forschungsarbeit im Fachjournal Nature eröffnet ein Team um den Experimentalphysiker Philipp Schindler an der Universität Innsbruck einen neuen Weg zur Vermessung einzelner Moleküle. Über die quantenmechanische Verstärkung des Rückstoßmoments konnte die Forschungsgruppe die Absorption eines einzelnen Photons detektieren und damit ein einzelnes Calciumhydroxid-Molekül vermessen.
Seit Jahrzehnten wird Licht dazu verwendet, die molekularen Strukturen von Materie zu verstehen. Dazu wird eine Probe zum Beispiel mit Licht bestrahlt und gemessen, bei welchen Wellenlängen Licht absorbiert wird. Da jedes Molekül Licht abhängig von seiner Struktur nur bei ganz bestimmten Frequenzen absorbiert, wirkt das entstehende Absorptionsspektrum wie ein molekularer Fingerabdruck. Bei einzelnen Molekülen ist dieses Signal jedoch verschwindend gering und kann meistens nicht vom Rauschen unterschieden werden. Mit einem eleganten quantenphysikalischen Trick ist es dem Team um Philipp Schindler vom Institut für Experimentalphysik der Universität Innsbruck nun gelungen, das Spektrum eines einzelnen Calciumhydroxid-Molekül zu messen.
Die Grundidee stammt aus der Quanteninformationsverarbeitung. Bei der sogenannten Quantenlogik-Spektroskopie werden zwei Ionen über ihre elektromagnetische Wechselwirkung miteinander gekoppelt: Ein schwer zugängliches Molekülion und ein gut kontrollierbares Hilfsatom bewegen sich gemeinsam in einer Ionenfalle und tauschen so Information aus. Auf diese Weise lassen sich Techniken, die ursprünglich für Quantencomputer entwickelt wurden, auf Moleküle übertragen, die sich mit herkömmlichen Methoden kaum untersuchen lassen.
Schrödinger-Katze als Quantenverstärker
Absorbiert ein Molekül ein einzelnes Infrarot-Lichtteilchen, erhält es einen winzigen Impuls. Dieser Impuls ist normalerweise viel zu klein, um direkt gemessen zu werden. Das Innsbrucker Forschungsteam erreicht die nötige Empfindlichkeit zum Nachweis der Absorption einzelner Photonen, indem es ein Atom, das quantenmechanisch mit dem Molekül verschränkt wird, als Detektor nutzt. „Die Verschränkung der Teilchen in einen sogenannten Schrödinger-Katzen-Zustand macht das System extrem empfindlich für kleinste Störungen“, erläutert Zhenlin Wu, der Erstautor der Studie. „Der winzige Rückstoß des absorbierten Photons wird mit diesem Katzen-Zustand messbar gemacht.“
Auf diese Weise hat das Forschungsteam eine charakteristische Molekülschwingung – die O-H-Streckschwingung – des einfach positiv geladenen Calciumhydroxid-Molekülions ermittelt. Das von der Gruppe gemessene Spektrum stimmt gut mit entsprechenden theoretischen Berechnungen überein, die von Kooperationspartnern der Universität Warschau durchgeführt wurden.
Molekül unter der Quanten-Sonde
Eine Besonderheit der Methode: Sie ist zerstörungsfrei, das Molekülion wird während der Untersuchung also weder zerstört noch chemisch verändert. Damit ermöglicht die Methode die Messung und Präparierung des Quantenzustands einer Vielzahl von Molekülarten und eröffnet einen Weg zur präzisen Spektroskopie komplexer Moleküle und zu vielen Anwendungen in zukünftigen Quantentechnologien mit Molekülen.
Die Grundlagen dafür legte Philipp Schindler mit einem ERC Starting Grant, den er 2020 für seine Forschung zu komplexen Quantensystemen erhalten hatte und in dessen Rahmen sein Team Methoden zur Kontrolle mehratomiger Moleküle in Ionenfallen entwickelte. Finanziell unterstützt wurde die aktuelle Forschungsarbeit unter anderem vom Österreichischen Wissenschaftsfonds FWF, der Betty und Gordon Moore Foundation und der Forschungsförderungsgesellschaft FFG.
Wissenschaftlicher Ansprechpartner:
Dr. Philipp Schindler
Institut für Experimentalphysik
Universität Innsbruck
+43 512 507-52452
philipp.schindler@uibk.ac.at
https://www.quantum-molecules.eu/
Originalpublikation:
Infrared absorption spectroscopy of a single polyatomic molecular ion. Zhenlin Wu, Tim Duka, Mariano Isaza-Monsalve, Miriam Kautzky, Vojtech Svarc, Andrea Turci, René Nardi, Marcin Gronowski, Michal Tomza, Brandon J. Furey, and Philipp Schindler. Nature 2026 DOI: https://www.nature.com/articles/s41586-026-10915-8 [arXiv: 2511.19687]
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