分子光子首次与碱原子接触

这取决于您如何与他们交谈：斯图加特的研究人员用橙黄色激光激发分子，使它们发出单光子流。光的颜色对应于钠原子吸收和发射的颜色。

在一项新发表的研究中，科学家描述了来自单个有机分子的傅立叶限制光子与原子碱蒸气之间的光学相互作用。

这可能令人惊讶，但是在物理学上，原子的地形与有机分子的领土是天壤之别。因此，为了使一个分子与原子进行光学通信，物理学家必须付出与大多数欧洲人学习中文时相似的努力。现在，马克斯·普朗克固体研究所和斯图加特大学的一个研究小组首次启动了分子与原子之间的交流。研究人员强迫分子发射单光子流。他们选择了分子，使其发射的颜色完美地适应了钠原子的吸收。随后，研究人员能够从装有钠蒸气的玻璃电池中开发出一种滤光片，该滤光片能够很好地阻挡这种颜色的光，例如对于生物学实验可能是有趣的。另外，物理学家使用充气电池来减慢单个光子的速度，并将光子暂时存储几纳秒。例如，这可能对量子通信感兴趣，量子通信在数据的传输和处理中采用了全新的方法。

Ilja Gerhardt和他的同事们正在建立物理学的桥梁：来自斯图加特的马克斯·普朗克固体研究所和那里的大学的研究人员在他们的实验中汇集了原子和分子物理学。对于外行来说，这两个学科可能密切相关。但是对于物理学家来说，他们的领地被一个尚无法穿透的边界所分隔。到目前为止，没有人让分子与原子交谈的原因之一是因为来自这两个领域的科学家之间的交流也不是很频繁。

此外，使用分子进行的实验与使用原子进行的实验有着非常不同的要求，并提供了其他机会。“我们现在首次将单个分子的光谱学与原子的光谱学结合起来，”负责该实验的Ilja Gerhardt说。光谱学是量子物理学家的主力军。研究人员通常用激光照射材料，观察物质是否发出光，如果发出，则发出哪种光。这告诉了他们很多关于测试对象的结构和行为的信息。

单光子的特别明亮的光源

现在，研究人员已经使单个分子发出可以被原子吸收的单个光子。如今，有许多单光子源。它们的特点是它们不会同时发射两个或多个光子。单光子作为量子信息的载体是令人感兴趣的，因为它们可以通过光纤传输，例如，其量子态无法复制。由于采用了一种称为量子密码学的方法，它们可以进行防拦截通信。Ilja Gerhardt说：“我们的单光子光源比其他光源要亮很多倍。”这是基于这样一个事实，即基于斯图加特的研究人员使用的分子每秒发出超过一百万个光子，因此比其他来源发出的光子多1000倍，但以连续的单光子流形式发出。特别明亮的单光子源可以显着加速量子信息的传输，因为它们每秒可以传输更多的信息。

但是，这些分子不仅非常明亮，而且还以特殊的光发光。Ilja Gerhardt说：“我们使一个分子与一个原子的波长对话。”第一项任务是选择正确的分子和原子。Ilja Gerhardt查阅了文献，以了解哪些原子和分子吸收和发射大约相同波长的光-即可以很好地结合在一起。这主要取决于候选电子可以假定的能量状态。当电子从一种能级跃迁到更高能级时，由于它需要一定剂量的能量，因此在此过程中会吸收光子。如果它从一个水平下降到一个较低的水平，则它可能会发出光子。单个有机分子也是如此。通常，分子发出红移的光子，即能量较少的光子–类似于荧光标记，如果用蓝光照射，该标记会发出橙色荧光。

讲原子光学语言的分子

Ilja Gerhardt确定了芳族化合物二苯并蒽蒽和钠是一对合适的对。原因是二苯并蒽并蒽分子会说出原子的光学语言：它们发出橙黄色的光，可被钠原子吸收。

并非所有分子都发出完全相同颜色的光，但是可以这么说，每个分子都用自己的方言讲话。为了确定钠能尽可能地理解的一种，研究人员最初准备了一种分子溶液。他们将其稀释得如此之多，以至于分子本身拥有很大的空间。然后，他们将溶液的薄膜冻结在比绝对零值高1.4度（负273.15摄氏度）的地方。在这种冰冷的寒冷中，分子几乎不移动，因此它们吸收并发射具有明确定义的波长的光。

现在，研究人员通过显微镜用钠原子也吸收的颜色的激光束照射样品。然后，他们在显微镜下观察了由橙黄色光激发的分子。唯一受激发的分子是那些也可以与该光通信的分子。吸收和发射之间的能量损失会导致分子显示为红色。

分子的红色闪烁被令人兴奋的激光所淹没，就像夜幕中的星星无法从泛光灯火的体育场中辨认出来一样。因此，研究人员从光束中滤出了激发光，该光束被导向检测器。一个简单的红色玻璃实际上足以看到一个个体分子。但是，不幸的是，玻璃还会滤除一部分红光，因此就像太阳镜一样工作–从而损失了大量光子。

钠蒸气过滤器可以使生物学实验更容易

Ilja Gerhardt说：“我们发现带有热钠蒸气的电池比商用过滤器更适合于此。”这是因为在155度的温度下，钠蒸气非常精确地仅从光束中去除了橙黄色的光，而商用滤光片也总是从其他颜色中去除了一些光。因此，通过钠蒸气过滤器比通过商业过滤器更容易看到分子的亮点。“例如，我们的发现与生物学实验非常相关，” Ilja Gerhardt说。生物学家经常通过给蛋白质配备荧光标记并用激光辐射激发它们来研究细胞中的过程。他们的研究可以使用更精确的过滤器提供更多的信息，因为它们可以使他们更轻松地捕获自己感兴趣的信号。

但是，对于使用激光的实验者来说，这一实际发现仅基于分子和原子之间光学相互作用的一种可能的变体。在该实验中，分子和原子之间还无法相互通信，因为钠原子是盲目的，或者以相同的类比停留，对分子的红光充耳不闻。但是，如果分子可以吸收钠原子可以理解的橙黄色光，那么它们也可以发出光-研究人员只需稍稍修改一下实验即可。为此，他们首先从速冻溶剂中选择一种与钠的光子语言有关的分子。

倒置的钠过滤器可识别分子闪烁的颜色

为了过滤出恰好与钠线重合的光，斯图加特的研究人员使用了一个技巧：钠蒸气池在这里再次很有用，因为它的过滤作用可以被磁场逆转。然后，它仅允许光通过橙黄色，通常被钠原子吸收。因此，研究人员将分子的闪光通过反向的钠蒸气电池发送到单个光子计数器上。如果现在就触发，他们可以确定该分子是用钠的语言说出来的。

Ilja Gerhardt说：“因此，在分子中，我们找到了一个出色的单光子源，我们可以将其光调节为吸收原子。”这对于处理量子信息可能是有帮助的，因为散乱的光子所携带的信息因此可以记录在原子中。

钠蒸气作为单光子的临时存储器

最后，位于斯图加特的研究人员还证明了钠蒸气池可以暂时存储分子的光。这意味着该单元可感知地阻止了单个光子的流动。研究人员在使分子发出橙黄色光时观察到了这一点，该光与钠光的颜色非常接近，但与钠光略有不同。因此，它只能通过钠蒸气池，但仍可能减慢速度。借助巧妙的光子秒表，科学家证明了仅在六纳秒的延迟之后，光子才会离开钠蒸气池。

例如，光子临时存储器可用于以量子计算机处理量子信息，例如，其方式与当今电子产品的临时存储器非常相似。然而，在达到这一点之前，物理学家仍然必须解决许多基本和实际的问题。分子与原子之间的通讯也必须改善。可能是这样：对话现在已经开始。

出版物：Petr Siyushev等人，“分子光子与碱原子连接”，《自然》 509，66-70（2014年5月1日）； doi：10.1038 / nature13191

图像：Ilja Gerhardt / MPI，用于固态研究