Wenn ein Molekül ein Photon trifft
Mit einer Vergrößerungslinse kann man ein Stück Papier in Brand setzen, indem sie einfach die Sonnenstrahlen bündelt. Lichtwellenleiter leiten über große Entfernungen Licht weiter und übertragen auf diese Weise Informationen. Da Messausrüstungen und Versuchstechniken auf immer höherem Niveau arbeiten, hat sich hier ein Fenster zur Quantenwelt eröffnet, was Auswirkungen auf die Untersuchung der Wechselwirkungen zwischen Licht und Materie und so ziemlich alle anderen Gebiete hat. In jüngerer Zeit kann man über die Wechselwirkung von Licht mit Metallnanoteilchen kollektive Elektronenschwingungen induzieren, die als lokalisierte Oberflächenplasmonenresonanzen Bekanntheit erlangten. Forscher starteten das EU-finanzierte Projekt "Single-molecule spectroscopy in the near field of plasmonic metal nanoparticles" (1MOLECULENEARPLASMON), um die Grundlagen für eine Manipulation einzelner Photonen mittels einzelner Moleküle zu legen. Bei der Arbeit konzentrierte man sich auf die Umsetzung der Einzelmolekülspektroskopie mit Hilfe spezieller Nanomaterialien (Plasmonenmaterialien), die durch Kopplung mit einfallendem Licht elektromagnetische Wellen erzeugen. Die Forscher entwickelten und bauten den Messplatz, der erforderlich ist, um Veränderungen in der Kopplung einer Plasmonenantenne an einzelnen Molekülen in einem Festkörper bei kryogenen Temperaturen zu beobachten. Tieftemperaturexperimente sind technisch anspruchsvoll, aber mit ihnen können wesentliche Einschränkungen überwunden werden, denen ähnliche Tests bei Raumtemperatur unterliegen. Messungen der Kopplung fallen bei Raumtemperatur aufgrund der Instabilität der Moleküle bei dieser Temperatur wesentlich schwieriger und auch weniger genau aus. Jede Antenne kann bei Raumtemperatur nur mit einem Molekül in Wechselwirkung treten, während das bei tiefen Temperaturen mit vielen möglich ist, was einen Vergleich der Antennenwirkung in verschiedenen Positionen zulässt. Letztlich wird eine Fotobleichung (Photobleaching) aufgrund von Molekularbewegung bei niedrigen Temperaturen unterdrückt, so dass die optischen Eigenschaften unverändert stark bleiben. Das kurze Zweijahresprojekt 1MOLECULENEARPLASMON lieferte den erforderlichen modernen Versuchsaufbau für die kryogene Einzelmolekülspektroskopie und wählte das Wirt-Gast-System sowie eine vielversprechende Nanoantenne aus. Man führte vorläufige spektroskopische Experimente durch. Die Weiterführung der Forschung verspricht bahnbrechende Resultate auf dem Gebiet der Plasmonik und optischen Antennen im Sinne der verbesserten Effizienz von Licht-Materie-Wechselwirkungen.
