细菌可以在不同的植物根部微环境中进行评估（a）使用经典光（b）的根毛中细菌的显微镜图像，并使用100,000倍低的量子光颜色（c）来避免光损伤。图片来源：O. Varnavski 等人，手稿正在准备中，2024 ETPA 峰相对于经典 TPA 和单光子共振吸收 （OPA） 吸收峰位置的示意图。美国国家科学院院刊 （2023）.DOI： 10.1073/pnas.2307719120

光谱学是研究物质如何吸收和发射光和其他辐射的学科。它允许科学家研究原子和分子的结构，包括其电子的能级。经典光谱学依赖于称为光子的光粒子与物质相互作用的方式。这些经典光谱技术包括单光子吸收 （OPA） 和双光子吸收 （TPA）。

相反，量子光谱学依赖于量子力学的一种特性，称为纠缠。这是粒子之间的内在联系，这意味着一个光子不能改变，而另一个光子也改变，无论它们相距多远。最近的研究研究了一种称为纠缠双光子吸收（ETPA）的量子光谱技术，该技术利用纠缠来揭示分子的结构以及ETPA如何以超快的速度起作用，以确定经典光谱学无法看到的特性。

研究结果发表在《美国国家科学院院刊》上。

这项研究表明，ETPA可以获得与OPA和TPA技术不同的分子信息。EPTA似乎更有效，并且在较低的光子强度下工作。这将允许科学家使用非经典光来研究分子的状态，这些状态与他们用经典光技术研究的状态相比根本不同。

科学家们经常假设量子光和经典光的双光子吸收的颜色是相同的。在这项研究中，密歇根大学和西北大学的研究人员通过对一种重要有机分子四苯基卟啉锌的实验和理论研究，揭示了纠缠的双光子吸收的颜色与相应的经典对应物以及双倍频率光子的单光子共振吸收的颜色显着不同。

这是由于不同的电子激发态的参与。结果表明，经典光激发和量子光激发最重要的激发态都具有较高的电子纠缠。结果还表明，ETPA提供了用经典光无法接近的非经典光探测分子的机会，或者在极低的激发强度下增强它们的量子光响应。

ETPA对于解决生物成像中光损伤和光毒性的长期挑战可能特别有用，特别是在复杂的生物分子中。这将扩大研究人员对复杂生物分子进行无损成像的能力。特别令人感兴趣的是ETPA成像模式的实施，以监测地下根际中细菌基因表达的长期空间和时间动态。此外，识别这种纠缠的双光子吸收的颜色可以减少数据采集时间，同时保持极低的激发强度。

更多信息：Oleg Varnavski 等人，纠缠双光子吸收的颜色，美国国家科学院院刊 （2023）。DOI： 10.1073/pnas.2307719120

期刊信息：Proceedings of the National Academy of Sciences