In der optischen Spektroskopie dient das Absorptionsverhalten von Molekülen zur Identifizierung molekularer Strukturen. Bei der Untersuchung einzelner Moleküle ist das Messsignal jedoch extrem schwach. Es geht meist im Hintergrundrauschen unter. Ein Team um den Innsbrucker Experimentalphysiker Philipp Schindler hat nun eine Methode entwickelt. Sie ermöglicht die Spektroskopie einzelner Calciumhydroxid-Molekülione über die quantenmechanische Verstärkung des Photonenrückstoßes.
Signalverstärkung durch gekoppelte Ionen
Die Methode nutzt Prinzipien der Quanteninformationsverarbeitung. Bei dieser Quantenlogik-Spektroskopie werden ein Molekülion und ein gut steuerbares Hilfsatom in einer Ionenfalle gekoppelt. Über ihre elektromagnetische Wechselwirkung tauschen beide Teilchen Informationen aus. So lassen sich Verfahren aus der Quanteninformatik auf bisher schwer analysierbare Moleküle übertragen.
Rückstoßdetektion via Schrödinger-Katzen-Zustand
Die Absorption eines einzelnen Infrarot-Photons überträgt einen minimalen Impuls auf das Molekül. Zur Messung dieses Impulses dient das verschränkte Hilfsatom als Detektor. „Die Verschränkung der Teilchen in einen sogenannten Schrödinger-Katzen-Zustand macht das System extrem empfindlich für kleinste Störungen“, erläutert Zhenlin Wu. „Der winzige Rückstoß des absorbierten Photons wird mit diesem Katzen-Zustand messbar gemacht.“
Mit diesem Ansatz bestimmte das Team die O-H-Streckschwingung des einfach positiv geladenen Calciumhydroxid-Ions. Das gemessene Spektrum deckt sich mit theoretischen Berechnungen der Universität Warschau.
Zerstörungsfreie Einzelmolekülanalytik
Ein zentraler Vorteil des Verfahrens ist die zerstörungsfreie Messung. Das Molekülion wird während des Prozesses weder chemisch verändert noch zerstört. Dies erlaubt die Präparierung und Analyse definierter Quantenzustände in komplexen Molekülen. Die Basis für diese Entwicklung schuf Philipp Schindler im Rahmen eines ERC Starting Grants ab 2020. Sein Team erarbeitete dabei die Grundlagen zur präzisen Kontrolle mehratomiger Moleküle in Ionenfallen.
Quelle
Universität Innsbruck (08/2026)
Publikation
Infrared absorption spectroscopy of a single polyatomic molecular ion. Zhenlin Wu, Tim Duka, Mariano Isaza-Monsalve, Miriam Kautzky, Vojtech Svarc, Andrea Turci, René Nardi, Marcin Gronowski, Michal Tomza, Brandon J. Furey, and Philipp Schindler. Nature 2026
DOI: https://www.nature.com/articles/s41586-026-10915-8