Spektroskopie, also die Untersuchung von Materialien mit Licht, spielt eine große Rolle in der Biologie, Medizin, Materialprüfung und Forschung und ist ein weit verbreitetes Messverfahren. Die Quantenspektroskopie, d.h. die Charakteriserung von Materialien mit Quanten-Licht, verspricht deutlich reduzierte Messzeiten und höhere Genauigkeiten, als bisher verwendete Techniken durch Ausnutzen der besonderen Quanteneigenschaften. Dennoch sind viele theoretische und praktische Fragen im Einsatz offen. Eine neue Arbeit von René Pollmann und anderen untersucht nun erstmals die Grenzen von einem bestimmten Ansatz zur Quantenspektroskopie, der mit sogennanten verschränkten Lichtteilchen, sog. Photonen, arbeitet.
Der Einsatz von verschränkten Photonenpaaren zum Anregen von zwei-photonen-Absorptionsvorgängen in organischen Molekülen verspricht einen massiven Effizienzgewinn, welcher jedoch bisher nicht eindeutig nachwiesen werden konnte. Ein Forscherteam der Universität Paderborn untersucht nun welche Messmethoden sich am besten zum Nachweis von verschränkter-zwei-Photonenabsorption eigen.
Soll ein Molekül durch zwei Photonen angeregt werden, müssen die beiden Photonen sowohl zeitgleich als auch mit der korrekten Energiemenge auf das besagte Molekül treffen. Da Energie und Zeit einer Unschärferelation folgen, ist dies mit klassischem Licht nur begrenzt möglich. Das heißt: Entweder sind die Photonen gleichzeitig am Molekül oder sie verfügen über die richtige Energiemenge.
Mit verschränkten Photonenpaaren lässt sich diese Unschärfe jedoch umgehen, weshalb ein massiver Effizienzgewinn erwartet wurde. Das Zwei-Photonen-Absorptions-Signal ist jedoch in der Praxis trotz der verbesserten Effizienz nur sehr sehr klein und lässt sich nur mit hoch spezialisierten Messmethoden von Hintergrundsignalen unterscheiden.
Indem sie das gesamte Messystem, inklusive aller Hintergrund Effekte, mathematisch modellieren können die Paderborner Forscher nun quantitative Aussagen über die Nachweisbarkeit von verschränkter zwei-Photonen-Absorption treffen, was den Paderbornern und anderen Teams dabei helfen wird diese Methodik weiterzuentwickeln. Die Arbeit ist für jeden frei verfügbar unter: https://doi.org/10.1103/qpb1-hk5l
Die Arbeiten wurden vom Bundesministerium für Forschung, Technologie und Raumfahrt (BmFTR) im Projekt “E²-TPA” (Nummer: 13N16352) gefördert.
