巴塞爾大學(xué)科學(xué)家已經(jīng)開(kāi)發(fā)出一種新方法，可以用來(lái)精確研究單個(gè)孤立的分子，而且不會(huì)破壞分子，甚至不會(huì)影響其量子態(tài)。

其研究成果發(fā)表在《科學(xué)》期刊上，這種高靈敏度的分子探測(cè)技術(shù)應(yīng)用廣泛，為量子科學(xué)、光譜學(xué)和化學(xué)領(lǐng)域的一系列新應(yīng)用鋪平了道路。光譜分析是基于物質(zhì)與光的相互作用，是研究分子性質(zhì)的最重要實(shí)驗(yàn)工具。

在典型的光譜實(shí)驗(yàn)中，含有大量分子的樣品被直接照射。分子只能吸收定義明確波長(zhǎng)的光，這些波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)于它們兩個(gè)量子態(tài)之間的能量差，這稱(chēng)為光譜激發(fā)。在這些實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，分子受到擾動(dòng)，改變了它們的量子態(tài)。

在許多情況下，甚至必須破壞分子才能檢測(cè)到光譜激發(fā)。對(duì)這些激發(fā)的波長(zhǎng)和強(qiáng)度的分析，提供了關(guān)于分子化學(xué)結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)（如旋轉(zhuǎn)或振動(dòng)）的信息。受為操縱原子而開(kāi)發(fā)的量子方法的啟發(fā)，巴塞爾大學(xué)化學(xué)系Stefan Willitsch教授的研究小組開(kāi)發(fā)了一種新技術(shù)。

這項(xiàng)新技術(shù)可以在單個(gè)分子的水平上進(jìn)行光譜測(cè)量，這里以單個(gè)帶電的氮分子為例，這項(xiàng)新技術(shù)不會(huì)干擾分子，甚至不會(huì)擾亂其量子態(tài)。在實(shí)驗(yàn)中，分子被困在射頻陷阱中，并冷卻到溫度接近絕對(duì)零度(約-273°C)。為了能夠冷卻，一個(gè)輔助原子（這里是單個(gè)帶電的鈣原子）同時(shí)被捕獲并定位在分子旁邊。這種空間上的接近對(duì)于分子光譜研究也是必不可少的。

光學(xué)晶格中的單個(gè)分子

之后通過(guò)將兩束激光束聚焦在粒子上以形成所謂的光學(xué)晶格，從而在分子上產(chǎn)生力。這種光學(xué)力的強(qiáng)度隨著輻照波長(zhǎng)接近分子中的光譜激發(fā)而增加，從而促使分子在陷阱內(nèi)的振動(dòng)，而不是它的激發(fā)。因此，振動(dòng)的強(qiáng)度與光譜躍遷接近程度有關(guān)，并被傳遞到鄰近的鈣原子，從那里可以高靈敏度地檢測(cè)到振動(dòng)。通過(guò)這種方式，可以檢索到與傳統(tǒng)光譜實(shí)驗(yàn)中相同關(guān)于分子的信息。

這是一種新型的力譜方法，引入了幾個(gè)新概念：第一，它依賴(lài)于單分子而不是大的系綜；其次，它代表了一種完全非侵入性的技術(shù)，因?yàn)闄z測(cè)是間接完成的（通過(guò)鄰近原子），不需要直接激發(fā)光譜躍遷。因此，分子的量子態(tài)保持不變，還可以連續(xù)重復(fù)測(cè)量。因此，該方法比現(xiàn)有依賴(lài)于大量分子的直接激發(fā)和破壞的光譜方法要靈敏得多。

多種應(yīng)用

新方法具有廣泛的應(yīng)用前景：力譜技術(shù)可以對(duì)分子進(jìn)行極其精確的測(cè)量，這是傳統(tǒng)光譜技術(shù)無(wú)法做到的。使用新方法，可以在單分子水平上在非常靈敏和精確定義的條件下，研究分子的性質(zhì)和化學(xué)反應(yīng)。它還為研究基本問(wèn)題鋪平了道路，例如物理常數(shù)是真的恒定還是隨時(shí)間變化。更實(shí)際的應(yīng)用可能是開(kāi)發(fā)基于單個(gè)分子的超精密時(shí)鐘，或者應(yīng)用于物理常數(shù)是真的恒定，還是隨時(shí)間變化。

博科園｜研究/來(lái)自：巴塞爾大學(xué)

參考期刊《科學(xué)期刊》

DOI: 10.1126/science.aaz9837

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