來自伯明翰大學(xué)和劍橋大學(xué)的科學(xué)家們開發(fā)了一種新方法，利用量子系統(tǒng)在室溫下探測中紅外線(MIR)光。 這項研究成果發(fā)表在《自然·光子學(xué)》雜志上，在劍橋大學(xué)卡文迪什實驗室進行，標志著科學(xué)家在洞察化學(xué)和生物分子工作方面取得了重大突破。

MIR振動輔助發(fā)光（MIRVAL） 在使用量子系統(tǒng)的新方法中，研究小組利用分子發(fā)射器將低能量MIR光子轉(zhuǎn)換為高能量可見光子。這項新創(chuàng)新能夠幫助科學(xué)家在室溫下檢測MIR，并在單分子水平上進行光譜學(xué)。

伯明翰大學(xué)助理教授、該研究的主要作者Rohit Chikkaraddy博士解釋說：“維持分子中原子間距離的鍵能像彈簧一樣振動，這些振動在非常高的頻率下共振。這些彈簧可以被人眼不可見的中紅外線區(qū)域的光激發(fā)。在室溫下，這些彈簧處于隨機運動狀態(tài)，這意味著檢測中紅外光的主要挑戰(zhàn)是避免這種熱噪聲。現(xiàn)代探測器依賴于冷卻半導(dǎo)體設(shè)備，這是一種能源密集型和體積龐大的設(shè)備，但我們的研究提出了一種新的和令人興奮的方法，在室溫下檢測這種光。”

這種新方法被稱為MIR振動輔助發(fā)光(MIRVAL)，使用具有MIR和可見光兩種能力的分子。該團隊能夠?qū)⒎肿影l(fā)射器組裝到一個非常小的等離子腔中，該等離子腔在MIR和可見光范圍內(nèi)共振。他們進一步對其進行工程設(shè)計，使分子振動狀態(tài)和電子狀態(tài)能夠相互作用，從而將MIR光高效地轉(zhuǎn)換為增強的可見光發(fā)光。 Chikkaraddy博士繼續(xù)說：“最具挑戰(zhàn)性的是將三個截然不同的長度尺度——可見光波長為數(shù)百納米，分子振動波長小于1納米，中紅外波長為1萬納米——整合到一個平臺上，并有效地結(jié)合起來。”

通過制造微腔，微腔是金屬表面的單原子缺陷形成的，它是一種非常小的腔體，能夠捕獲光線，研究人員能夠?qū)崿F(xiàn)一立方納米以下的極端光束限制體積。這意味著該團隊可以將MIR光束限制到單個分子的尺度。

這一突破可以加深對復(fù)雜系統(tǒng)的理解，并打開了通往紅外線活躍分子振動的大門，這些振動通常在單分子水平上是無法實現(xiàn)的。但MIRVAL可能在許多領(lǐng)域都有益處，而不僅僅是純粹的科學(xué)研究。 Chikkaraddy博士總結(jié)道：“MIRVAL可以有許多用途，如實時氣體傳感、醫(yī)學(xué)診斷、天文調(diào)查和量子通信，因為我們現(xiàn)在可以看到MIR頻率下單個分子的振動指紋。在室溫下檢測MIR的能力意味著探索這些應(yīng)用和在這個領(lǐng)域進行進一步研究要容易得多。通過進一步的進展，這種新穎的方法不僅可以找到它進入實際設(shè)備的方式，將塑造MIR技術(shù)的未來，而且還可以釋放出在分子量子系統(tǒng)中連貫地操縱‘彈簧球’原子復(fù)雜相互作用的能力。”

審核編輯：彭菁