Beschwingte Moleküle

Eine theoretische Methode erlaubt die Beschreibung an Licht gekoppelter Moleküle - die zentrale Rolle spielen die Schwingungen des Moleküls.

In den letzten Jahren wurde großer experimenteller Fortschritt darin erzielt, Licht auf Nanometer-Skala einzusperren - beispielsweise mit Hilfe optischer Resonatoren oder plasmonischer Strukturen - und auf kontrollierte Weise mit Atomen oder Molekülen wechselwirken zu lassen. Ist die Wechselwirkung stark genug, vereinigen sich Licht und Materie und es entstehen sogenannte Polariton-Zustände – das sind hybride Zustände, die sowohl Eigenschaften von Licht als auch Materie aufweisen.  Im Gegensatz zu Atomen weisen Moleküle allerdings eine komplizierte interne Dynamik auf: Die Kerne können gegeneinander schwingen und beeinflussen so auch die Wechselwirkung mit dem Licht. So ruft beispielsweise die Absorption eines Lichtteilchens unwillkürlich Schwingungen im Molekül hervor.

Eine in der Gruppe von Claudiu Genes entwickelte Theorie erlaubt nun die Beschreibung der Licht-Molekül Wechselwirkung unter Berücksichtigung der internen Molekülschwingungen. Die Methode erlaubt so beispielsweise die Berechnung von Absorptions- und Emissionsspektren des Moleküls.

“Es zeigt sich, dass die Emission des Moleküls durch das passende Lichtfeld gezielt manipuliert werden kann und unerwünschte Prozesse unterdrückt werden. Außerdem können die Schwingungen des Moleküls dafür sorgen, dass die normalerweise unabhängigen Polariton-Zustände miteinander »reden«, sie werden durch die Schwingungen des Moleküls gekoppelt”, erklärt Michael Reitz, Erstautor der Studie.

Die Autoren nutzen die Methode noch zur Beschreibung eines weiteren Vorgangs: Sind zwei Moleküle nah beieinander, können sie über einen sogenannten FRET-Prozess Energie austauschen, ein Vorgang der mit hoher Effizienz auch in der Natur bei der Photosynthese vorkommt. Auch hier sind die Schwingungen der Moleküle wieder entscheidend: Sie sorgen dafür, dass der Energietransfer nur in eine Richtung stattfinden kann, der Transfer in die Gegenrichtung wird blockiert. Dies garantiert einen Energieübertrag mit hoher Effizienz.

 

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.122.203602

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