Kemistit ovat ensimmäisen kerran onnistuneet mittaamaan yksittäisen molekyylin värähtelyn eli niin sanotun molekylaarisen hengityksen. Tutkimus paljastaa, miten yhden molekyylin värähtely poikkeaa molekyylijoukkojen käyttäytymisestä. Samalla kehitettiin uusi menetelmä yksittäismolekyylien tunnistamiseen.
Tutkimus tehtiin Kalifornian yliopistossa Irvinessä. Jyväskylän yliopiston tutkijatohtori Eero Hulkko työskentelee siellä vierailevana tutkijana projektiin osallistuneessa ryhmässä, jota johtaa professori Vartkess A. Apkarian. Toista mukana ollutta ryhmää johti professori Eric O. Potma. Tutkimustulokset on julkaistu Nature Photonics -lehden elokuun numeron kansikuva-artikkelina.
Tutkijat hyödynsivät yksittäismolekyylimittauksessaan erittäin lyhyitä näkyvän valon alueen laserpulsseja. Yksinkertaisen orgaanisen bipyridiinietyleeni- eli BPE-molekyylin värähtelyliikkeen seuraaminen oli mahdollista valopulssien sironnan avulla. Menetelmää kutsutaan aika-erotteiseksi koherentiksi anti-Stokes-Raman-sironnaksi (tr-CARS). Se on ultranopea epälineaarinen spektroskooppinen tekniikka.
Kultaiset nanoantennit apuna
Yksittäisen BPE-molekyylin värähtelyn havaitsemiseen käytettiin "plasmonisia nanoantenneja". Ne muodostuvat kahdesta noin 90 nanometrin kokoisesta kultananopartikkelista (nanometri on metrin miljardisosa). Nanoantennit vahvistavat yksittäisen molekyylin lähettämän säteilyn havaittavalle tasolle.
– Yksittäisen molekyylin havaitseminen valon sironnan avulla on erittäin vaikeaa. Siksi tarvitsemme hieman apua signaalin vahvistamiseen, tutkimukseen osallistunut tohtori Hulkko kertoo.
Nanopartikkelien vahvistusilmiö on hyvin tunnettu kirjallisuudessa. Ilmiötä hyödynnetään erilaisissa spektroskooppisissa tekniikoissa, kuten esimerkiksi pintavahvistetussa Raman-spektroskopiassa (SERS), jonka avulla yksittäisiä molekyylejä pystytään havaitsemaan rutiininomaisesti.
Yksittäisen molekyylin värähtelyliike on puhtaasti kvanttimekaanista. Jotta värähdysliike voitaisiin havaita käytetyllä menetelmällä, molekyylin täytyy olla vähintään kahdessa kvanttimekaanisessa värähdystilassa samanaikaisesti. Tätä kutsutaan kvanttimekaniikassa aaltopaketiksi, jossa värähdysten vaiheiden välillä vallitsee korrelaatio. Molekyylijoukoissa värähdysten välinen korrelaatio häviää yleensä suhteellisen nopeasti. Ilmiötä kutsutaan epävaiheistumiseksi.
Epävaiheistumisen puuttumista ei ole ennen todettu
Tutkijat onnistuivat laserpulssien avulla luomaan yksittäisen molekyylin värähdystiloista muodostuneen aaltopaketin ja seuraamaan sen kehitystä 10 pikosekunnin ajan (pikosekunti = 10 potenssiin -12 sekuntia). Värähdysaaltopaketin liike vastaa molekyylin todellista värähdysliikettä eli molekulaarista “hengitystä”.
Kokeet näyttivät, että yksittäisen molekyylin värähdykset eivät menettäneet vaihekorrelaatiotaan. Tutkijat onnistuivat simulaatioiden avulla selittämään havainnot ja osoittamaan, että niin kutsuttu puhdas epävaiheistuminen on molekyylijoukkojen ominaisuus. Epävaiheistumisen puuttuminen yksittäisissä molekyyleissä on hyvin perustavaa laatua oleva havainto, jota ei ole ennen tunnettu.
– Yksittäisen molekyylin hengityksen näkeminen tuo meidät askeleen lähemmäs sitä, että näemme todellisen kemian toiminnassa yksittäisten molekyylien tasolla, professori Apkarian ennustaa.
Koherentin ultranopean spektroskopian demonstrointi yksittäismolekyylitasolla eli kyky luoda, manipuloida ja mitata yhden molekyylin kvanttitiloja avaa uusia mahdollisuuksia kvanttilaskentaan ja kvantti-informaation siirtoon.
Molekyylien yksittäisluonne tarkoittaa sitä, että havainnoidaan yksittäisiä fotoneja. Tulokset mahdollistavat siksi aivan uusia tutkimusmahdollisuuksia ja sovelluksia yksittäismolekyylifotoniikassa, kuten esimerkiksi yksittäisten, halutussa vaiheessa olevien fotonien tuottamisen.
Uutinen perustuu Jyväskylän yliopiston tiedotteeseen.
