Lys er et forunderlig fenomen, og forskerne har fremdeles mye å lære.

I fysikkbøkene er det enkelt – når et atom eller et molekyl har fått tilført energi, blir det ustabilt, og det vil avgi energien ved å sende ut et foton, altså en lyspartikkel.

Men i virkeligheten er det mer komplisert, og Martijn Wubs fra Danmark Tekniske Universitet (DTU) har, sammen med forskere fra universitetet i Twente i Nederland, forsøkt å avdekke hvordan et molekyl kvitter seg med sin overskuddsenergi hvis det sitter tett på et annet molekyl.

Kan gi energi videre

Forskerne visste at man kan påvirke den måten atomer sender ut lys på hvis man endrer på atomets nærmeste omgivelser.

Man kan forsinke eller framskynde utsendingen av lys, og i en fotonisk krystall kan man nesten stoppe det helt. Men forskerne har vært i tvil om omgivelsene også påvirker den farten som molekyler avleverer energi til et nabomolekyl med.

Martijn Wubs, som er førsteamanuensis ved DTU Fotonik, forklarer: 

– Hvis man plasserer to molekyler tett sammen, og det ene vil sende ut lys, har det to muligheter. Enten kan det sende ut lys på normal måte, eller også kan det gi lyset videre til naboen.

Virker i biologi og ny teknologi

– Men påvirker omgivelsene den farten et molekyl gir energien videre til et annet molekyl ved? Det har hittil vært et åpent spørsmål, som vi nå har besvart, forteller Wubs.

– Det er interessant fordi dette skjer i mange forskjellige biologiske systemer, for eksempel når bakterier absorberer lys og i forbindelse med fotosyntese. Også i solceller og i lysdioder ser man effekten. Og hvis man kan kontrollere prosessen, kan det kanskje utnyttes i ny teknologi.

Et stykke DNA skilte molekylene

For å måle effekten måtte forskerne først plassere to molekyler mye tett på hverandre under kontrollerte forhold.

De brukte et lite stykke DNA til å skille de to molekylene. DNA er et veldig stivt molekyl som kan produseres i den lengden man trenger. Dermed kunne forskerne sørge for at det hele tiden var nøyaktig 6,8 nanometer mellom molekylene.

Nå kunne de endre molekylenes omgivelser ved å plassere et speil i forskjellige avstander og se om det førte til en forskjell.

Resultatet var at omgivelsene ikke har noen innflytelse på hvor fort energien overføres mellom molekylene.

En måte å måle avstander

– Vi fant også ut at vi kan påvirke effektiviteten av denne energioverføringen. Vi kan nemlig styre hvor mye lys det sendes ut via den andre mekanismen – altså ikke mellom molekylene, men til omgivelsene. Og resten av energien må jo overføres mellom molekylene, forteller Wubs.

– Det er en viktig erkjennelse, for den kan blant annet brukes til å finne fram til en ellers ukjent avstand mellom to molekyler.

Forskerne kan kontrollere den farten som et molekyl avgir fotoner til omgivelsene med. Og nå vet man at den farten som det sender energi til nabomolekylet med, ligger fast og bare avhenger av avstanden mellom molekylene.

– Dermed kan vi regne ut avstanden. Vi har faktisk funnet en metode for å måle ekstremt små avstander, sier Wubs. 

Bedre kvantecomputere

Resultatene kan komme til nytte når man studerer biologiske systemer, som ofte er svært komplekse og kan være vanskelige å måle på andre metoder.

Forskningsresultatet, som offentliggjøres i det vitenskapelige tidsskriftet Physical Review Letters, kan kanskje også brukes i utviklingen av datamaskiner som bruker lys i stedet for elektroner, som kvantecomputere.

Referanse:

Nanophotonic control of the Förster resonance energy transfer efficiency. (pdf)

© Videnskab.dk. Oversatt av Lars Nygaard for forskning.no.