High-Resolution Spectroscopy of Vibronic Transitions in Single Molecules

Beschreibung

Farbstoffmoleküle in organischen Kristallen sind hervorragende Einzelphotonen-Quellen und können als nicht-lineare Elemente in optischen Schaltkreisen genutzt werden. Weil ihnen ein langlebiger Spin-Zustand fehlt, wurden diese Moleküle bisher jedoch nicht als Speicher für Quanteninformation in Betracht gezogen. Im Prinzip könnten anstatt von Spinzuständen die Schwingungsmoden einzelner Farbstoffmoleküle in organischen Kristallen als Quantenbits genutzt werden. Die Lebensdauer dieser Molekülschwingungen ist jedoch durch ihre Kopplung an das Kristall-Gitter oftmals auf etwa 10 ps beschränkt. In der kryogenen Einzelmolekülspektroskopie wurden die Lebensdauern der Molekülschwingungen allerdings bisher in keiner einzigen Molekül-Matrix-Kombination systematisch gemessen, so dass es einzelne Moden mit deutlich längeren Lebensdauern geben könnte.

In dieser Arbeit werden die Linienbreiten der Schwingungsmoden einzelner Dibenzoterrylen (DBT) Moleküle in Paradichlorbenzol- (pDCB) und Antracen-Kristallen bei kryogenen Temperaturen anhand vibronischer Spektren untersucht. Dabei wird durch Fluoreszenz-Anregungsspektroskopie und STED-Spektroskopie mit schmalbandigen, durchstimmbaren Lasern eine hohe spektrale Auflösung erreicht. Wir zeigen, dass die Linienbreiten einiger Schwingungsmoden von DBT Molekülen in pDCB Werte von 2 GHz erreichen. Dies entspricht einer Schwingungslebensdauer von 80 ps und liegt somit weit über den typischen Relaxationszeiten in organischen Kristallen.

In einem weiteren Experiment beobachten wir Anzeichen dafür, dass eine Schwingungsmode im elektronischen Grundzustand von DBT trotz ihrer kurzen Lebenszeit in pDCB kohärent angeregt werden kann. Die damit einher gehende Aufspaltung eines vibronischen Übergangs wird erreicht, indem ein Kontroll-Laser in Resonanz mit einem Übergang zwischen zwei vibronischen Zuständen mit hohem Franck-Condon-Faktor gebracht wird. Laut unseren Modellrechnungen ist die Population, die in dieser experimentellen Konfiguration in den unteren vibronischen Zustand übertragen wird, zu 80 % kohärent. Wenn in Zukunft langlebige Schwingungsmoden realisiert werden, könnte man ähnliche Ansätze nutzen, um fliegende Quantenzustände kohärent in Schwingungszustände eines Moleküls zu überführen und dort zu speichern.