巴塞爾大學科學家已經開發出一種新方法，可以用來精確研究單個孤立的分子，而且不會破壞分子，甚至不會影響其量子態。其研究成果發表在《科學》期刊上，這種高靈敏度的分子探測技術應用廣泛，為量子科學、光譜學和化學領域的一系列新應用鋪平了道路。光譜分析是基於物質與光的相互作用，是研究分子性質的最重要實驗工具。

在典型的光譜實驗中，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的光，這些波長對應於它們兩個量子態之間的能量差，這稱為光譜激發。在這些實驗過程中，分子受到擾動，改變了它們的量子態。

在許多情況下，甚至必須破壞分子才能檢測到光譜激發。對這些激發的波長和強度的分析，提供了關於分子化學結構和運動（如旋轉或振動）的信息。受為操縱原子而開發的量子方法的啟發，巴塞爾大學化學系Stefan Willitsch教授的研究小組開發了一種新技術。

（上圖所示）一個帶電的氮分子和光學晶格中一個帶電的鈣原子。圖片：University of Basel, Department of Chemistry

這項新技術可以在單個分子的水平上進行光譜測量，這裡以單個帶電的氮分子為例，這項新技術不會干擾分子，甚至不會擾亂其量子態。在實驗中，分子被困在射頻陷阱中，並冷卻到溫度接近絕對零度(約-273°C)。為了能夠冷卻，一個輔助原子（這裡是單個帶電的鈣原子）同時被捕獲並定位在分子旁邊。這種空間上的接近對於分子光譜研究也是必不可少的。

光學晶格中的單個分子

之後通過將兩束雷射束聚焦在粒子上以形成所謂的光學晶格，從而在分子上產生力。這種光學力的強度隨著輻照波長接近分子中的光譜激發而增加，從而促使分子在陷阱內的振動，而不是它的激發。因此，振動的強度與光譜躍遷接近程度有關，並被傳遞到鄰近的鈣原子，從那裡可以高靈敏度地檢測到振動。通過這種方式，可以檢索到與傳統光譜實驗中相同關於分子的信息。

這是一種新型的力譜方法，引入了幾個新概念：第一，它依賴於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，因為檢測是間接完成的（通過鄰近原子），不需要直接激發光譜躍遷。因此，分子的量子態保持不變，還可以連續重複測量。因此，該方法比現有依賴於大量分子的直接激發和破壞的光譜方法要靈敏得多。

多種應用

新方法具有廣泛的應用前景：力譜技術可以對分子進行極其精確的測量，這是傳統光譜技術無法做到的。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，研究分子的性質和化學反應。它還為研究基本問題鋪平了道路，例如物理常數是真的恆定還是隨時間變化。更實際的應用可能是開發基於單個分子的超精密時鐘，或者應用於物理常數是真的恆定，還是隨時間變化。

博科園｜研究/來自：巴塞爾大學

參考期刊《科學期刊》

DOI: 10.1126/science.aaz9837

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