Eine goldbeschichtete Mikropipette wird verwendet, um Nanokristalle zu drucken, die organische Moleküle als Quantenemitter enthalten. Der Artikel berichtet über nahezu Fourier-limitierte und stabile optische Übergänge einzelner Moleküle, die in die gedruckten Kristalle eingebettet sind. © Die Autoren. Veröffentlicht von der American Chemical Society.

Eine der außergewöhnlichsten Eigenschaften der PAK ist deren Fähigkeit, Licht mit höchster Farbreinheit zu absorbieren und zu emittieren, nur begrenzt durch die Gesetze der Quantenmechanik. Diese Eigenschaft ergibt sich aus lebenszeitbegrenzten elektronischen Übergängen und ermöglicht es, Licht auf der Quantenebene effizient zu kontrollieren und zu manipulieren. Dies ist eine dringend benötigte Eigenschaft für verschiedene quantentechnologische Anwendungen.

Um die PAK in größere und komplexere Quantennetzwerke integrieren zu können, müssen die Forscher*innen große Herausforderung meistern. Sie müssen die Resonanzfrequenz und gleichzeitig die räumliche Positionierung der Moleküle in unmittelbarer Nähe von nanophotonischen Strukturen wie optische Wellenleitern und Resonatoren exakt kontrollieren. In einer kürzlich im Journal ACS Nano veröffentlichten Studie berichteten Wissenschaftler*innen der MPL-Division „Nanooptik“, dass sie einen bedeutenden Schritt in Richtung dieses Ziels gemacht haben. Ihnen ist die Herstellung nanogedruckter Kristalle gelungen, in die Farbstoffmoleküle erfolgreich eingebettet sind. Somit können nahezu lebenszeitbegrenzte elektronische Übergänge erreichen werden.

Die Forscher*innen konzentrieren sich auf einzelne Dibenzoterrylen (DBT)-Moleküle, die in Anthracen-Nano- und Mikrokristalle eingebettet sind. Diese Kristalle wurden mit einer speziellen Technik – dem elektrohydrodynamischen Nanodrucken – präzise auf einem Glassubstrat positioniert. Das Verfahren wurde in Kooperation mit dem Team um Professor Dimos Poulikakos der ETH Zürich entwickelt. Durch Abkühlung der Kristalle auf die Temperatur von flüssigem Helium (ca. -270˚ C) und mittels hochauflösender Fluoreszenzanregungsspektroskopie beobachteten die Wissenschaftler*innen, dass die Null-Phononen-Linien (ZPLs) der DBT-Moleküle fast so schmal waren wie die, die man in makroskopischen, unter definierten Bedingungen gezüchteten Kristallen findet. Diese Ergebnisse zeigen, dass die Moleküle in den gedruckten Kristallen ihre guten optischen Eigenschaften, die für Quantenanwendungen wichtig sind, beibehalten. Hinzu kommt der Vorteil, dass ihre Position kontrolliert werden kann.

„Die Fähigkeit, photostabile und gleichzeitig hochwertige Quantenemitter mit präziser räumlicher Kontrolle herzustellen, eröffnet spannende Möglichkeiten für die Entwicklung komplexerer, miteinander verbundener nanophotonischer Quantensysteme“, sagt Mohammad Musavinezhad, der für das Projekt verantwortliche Doktorand. "Diese Systeme sind nicht nur interessant für Anwendungen in der Quantentechnologie, sie ermöglichen auch die Untersuchung fundamentaler Effekte der Licht-Materie-Wechselwirkung wie etwa die Quantenkooperativität. "

Wissenschaftlicher Kontaakt

MPI für die Physik des Lichts
Nanooptik Division

Prof. Vahid Sandoghdar
sandoghdar-office@mpl.mpg.de

Original Publikation

High-Resolution Cryogenic Spectroscopy of Single Molecules in Nanoprinted Crystals. Mohammad Musavinezhad, Jan Renger, Johannes Zirkelbach, Tobias Utikal, Claudio U. Hail, Thomas Basché, Dimos Poulikakos, Stephan Götzinger, and Vahid Sandoghdar. ACS Nano 2024 18 (33), 21886-21893
DOI: 10.1021/acsnano.4c02003