Losse moleculen tonen belofte om losse elektronen te zien met licht
Het is nog nooit gelukt om een enkel elektron te detecteren met zichtbaar licht via slechts één molecuul. Leids natuurkundige Michel Orrit en zijn onderzoeksgroep hebben nu een molecuul geïdentificeerd dat gevoelig genoeg is om een elektron te detecteren op een afstand van honderden nanometers. De resultaten zijn gepubliceerd als een omslagartikel in ChemPhysChem.
Natuurkundigen zijn al geruime tijd in staat om losse elektronen te manipuleren. Maar ze kunnen die alleen zien als onderdeel van een elektrische stroom met duizenden elektronen. Stel je nu eens voor dat we een elektron optisch kunnen detecteren via één enkel molecuul. Dan zou je een individueel elektron waarnemen dat daadwerkelijk op zichzelf staat. In de toekomst zou een quantumcomputer dit wellicht kunnen gebruiken om zijn qubits te lokaliseren met licht, zodat hij hun dubbelzinnige spin-quantumtoestand niet verstoort—een absolute vereiste voor quantumcomputers. Leids fysicus Michel Orrit en zijn groep hebben nu de eerste stap gezet richting de ontwikkeling van deze techniek, door een moleculair systeem te identificeren dat gevoelig genoeg is om een elektron te detecteren op honderden nanometers afstand.
De onderzoekers, waaronder hoofdauteurs Zoran Ristanović en Amin Moradi, ontdekten dat het fluorescerende molecuul dibenzoterrylene (DBT) twee belangrijke eigenschappen bezit voor de detectie van losse ladingen—mits het onderdeel is van een moleculair kristal van 2,3-dibromonaphthalene. Ten eerste zijn DBT-moleculen fluorescerend, waarbij ze een smal spectrum uitzenden van zichtbaar licht dat lange tijd stabiel blijft (fig. 1). Ten tweede verschuiven die smalle spectraallijnen significant in aanwezigheid van een elektrisch veld (fig. 2). Dat verraadt een lading in de buurt, omdat ladingen zo’n elektrisch veld genereren.
Orrit en zijn collega’s laten zien dat ze met een DBT-molecuul gemakkelijk elektrische velden kunnen detecteren in de orde van 1 kV/cm (fig. 2). Dat is meer dan genoeg gevoeligheid voor de detectie van een enkel elektron op 100 nm afstand, wiens elektrische veld daar ongeveer 1,5 kV/cm is. Met meerdere moleculen die net zo reageren op een elektrisch veld zouden de onderzoekers zelfs triangulatie kunnen toepassen om de locatie van het elektron te bepalen, vergelijkbaar met GPS. De volgende stap bestaat nu uit het daadwerkelijk detecteren van een echt elektron. Daartoe bouwt het onderzoeksteam momenteel aan een single-electron device waarmee ze losse elektronen willen invangen.
Publicatie
Moradi A., Ristanović Z., Orrit M., Deperasińska I., Kozankiewicz B., ‘Matrix-induced Linear Stark Effect of Single Dibenzoterrylene Molecules in 2,3-Dibromonaphthalene Crystal’, ChemPhysChem
