來自伯明翰大學和劍橋大學的科學家們開發(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》雜志上，在劍橋大學卡文迪什實驗室進行，標志著科學家在洞察化學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光子轉換為高能量可見光子。這項新創(chuàng)新能夠幫助科學家在室溫下檢測MIR，并在單分子水平上進行光譜學。

伯明翰大學助理教授、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體設備，這是一種能源密集型和體積龐大的設備，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。該團隊能夠將分子發(fā)射器組裝到一個非常小的等離子腔中，該等離子腔在MIR和可見光范圍內共振。他們進一步對其進行工程設計，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，并有效地結合起來?！?/p>

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，研究人員能夠實現(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可能在許多領域都有益處，而不僅僅是純粹的科學研究。 Chikkaraddy博士總結道：“MIRVAL可以有許多用途，如實時氣體傳感、醫(yī)學診斷、天文調查和量子通信，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用和在這個領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備的方式，將塑造MIR技術的未來，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’原子復雜相互作用的能力?！?/p>

審核編輯：彭菁