08 Sep. Infrarotspektroskopie an einem einzelnen Molekül
Das Absorptionsspektrum eines einzelnen Moleküls zu messen, ist schwierig: Das Signal ist so schwach, dass es sich mit herkömmlichen Methoden kaum vom Rauschen unterscheiden lässt. Forschende der Universität Innsbruck haben nun die Absorption eines einzelnen Infrarotphotons nachgewiesen und damit das Spektrum eines einzelnen Calciumhydroxid-Molekülions gemessen.
Dazu nutzte das Team nach eigenen Angaben eine Methode aus der Quanteninformationsverarbeitung. Bei der sogenannten Quantenlogik-Spektroskopie werden ein Molekülion und ein gut kontrollierbares Hilfsatom in einer Ionenfalle miteinander gekoppelt. Über ihre gemeinsame Bewegung können Informationen vom schwer messbaren Molekül auf das Hilfsatom übertragen und dort ausgelesen werden.
Photonenrückstoß wird messbar
Absorbiert das Molekül ein einzelnes Infrarotphoton, überträgt dieses einen sehr kleinen Impuls auf das Molekül. Dieser Rückstoß ist normalerweise zu gering, um direkt gemessen zu werden. Um ihn dennoch nachweisen zu können, verschränkten die Forschenden das Molekül quantenmechanisch mit einem Atom, das als Detektor dient.
Dabei versetzten sie das gekoppelte System in einen sogenannten Schrödinger-Katzen-Zustand. Dieser Quantenzustand macht das System besonders empfindlich für kleinste Störungen. Dadurch wird selbst der winzige Rückstoß eines einzelnen absorbierten Photons messbar.
Mit diesem Verfahren bestimmte das Team eine charakteristische Molekülschwingung, die O-H-Streckschwingung, eines einfach positiv geladenen Calciumhydroxid-Molekülions (CaOH⁺). Das gemessene Spektrum stimmte gut mit theoretischen Berechnungen von Forschenden der Universität Warschau überein.
Spektroskopie ohne Zerstörung des Moleküls
Ein Vorteil des Verfahrens ist, dass das untersuchte Molekülion bei der Messung weder zerstört noch chemisch verändert wird. Damit ermöglicht die Methode nach Angaben der Forschenden, den Quantenzustand verschiedener Molekülarten zu messen und gezielt zu präparieren.
Die Methode könnte damit die hochpräzise Spektroskopie von Molekülarten ermöglichen, die mit herkömmlichen Verfahren nur schwer untersucht werden können. Darüber hinaus sehen die Forschenden Potenzial für die Untersuchung komplexerer Moleküle und für zukünftige Quantentechnologien, die Moleküle als Quantensysteme nutzen.
Originalveröffentlichung:
[Zhenlin Wu et al.: Infrared absorption spectroscopy of a single polyatomic molecular ion; Nature, 2026, DOI: https://www.nature.com/articles/s41586-026-10915-8 [arXiv: 2511.19687]]
Quelle: www.uibk.ac.at
Bild: Helene Heinzer