ضوء جزيء واحد فقط — مثل صوت منفرد في جوقة ضخمة. لسماعه، لا نحتاج إلى ميكروفون، بل إلى أداة دقيقة تلتقط كل فوتون وتحدد زمن وصوله. هذا بالضبط ما بناه الباحثون: جهاز لا يقيس السطوع واللون فحسب، بل أيضًا مدى تكرار وصول الفوتونات في أزواج — وهذا ما يسمى إحصاء الرتبة الثانية.
جزيء IDTBT — سلسلة طويلة من وحدات متناوبة، تشبه السبحة. عندما يُضاء، يمتص الضوء ويعيد إصداره. ولكن ليس بشكل عشوائي: داخل السلسلة، يمكن للطاقة أن تقفز من وحدة إلى أخرى، وإذا كانت هذه القفزات منسقة، فإن الفوتونات تخرج ليس منفردة بل بنمط معين. أظهر الجهاز: في أجزاء مختلفة من الطيف — أي لألوان مختلفة من التوهج — يكون النمط مختلفًا. عند درجة حرارة الغرفة وعند التبريد إلى درجات حرارة التبريد الشديد، تتغير الصورة أيضًا.
لماذا هذا مهم؟ في الطبيعة، هناك جزيئات تنقل الطاقة دون خسارة تقريبًا — مثلًا في عملية التمثيل الضوئي في النباتات. يُعتقد أن الترابط الكمومي يساعد الطاقة على الوصول إلى هدفها بشكل أسرع. الطريقة الجديدة تسمح بالنظر إلى هذه العملية على مستوى جزيء واحد دون تدميره. النتائج حتى الآن مجرد تلميح، لكن من الواضح بالفعل: الحياة الكمومية داخل الجزيء أغنى مما كان يُعتقد.
كما كتبه المؤلفون، بالإنجليزية arXiv:2601.19006
The frequency- and time-resolved second order quantum coherence function (g(2)({\tau})) of single-molecule fluorescence has recently been proposed as a powerful new quantum light spectroscopy that can reveal intrinsic quantum coherence in excitation energy transfer in molecular systems ranging from simple dimers to photosynthetic complexes. Yet, no experiments have been reported to date. Here, we have developed a single-molecule fluorescence g(2)({\tau}) quantum light spectroscopy (SMFg2-QLS) that can simultaneously measure the fluorescence intensity, lifetime, spectra, and g(2)({\tau}) with frequency resolution, for a single molecule in a controlled environment at both room temperature and cryogenic temperature. As a proof of principle, we have studied single molecules of IDTBT (indacenodithiophene-co-benzothiadiazole), a semiconducting donor-acceptor conjugated copolymer with a chain-like structure that shows a high carrier mobility and annihilation-limited long-range exciton transport. We have observed different g(2)({\tau}=0) values with different bands or bandwidths of the single molecule IDTBT fluorescence. The general features are consistent with theoretical predictions and suggest non-trivial excited state quantum dynamics, possibly showing quantum coherence, although further analysis and confirmation will require additional theoretical calculations that take into account the complexity and inhomogeneity of individual IDTBT single molecular chains. Our results demonstrate the feasibility and promise of frequency- and time-resolved SMFg2-QLS to provide new insights into molecular quantum dynamics and to reveal signatures of intrinsic quantum coherence in photosynthetic light harvesting that are independent of the nature of the light excitation.
جزيء IDTBT يتكون من آلاف الذرات، لكنه يتصرف كنظام كمومي واحد — توهجه يمكن أن يكون "مضغوطًا"، أي أن الفوتونات تأتي في أزواج أكثر من المصباح العادي.