基于一種利用量子系統(tǒng)在室溫下檢測(cè)中紅外光（MIR）的新方法

英國(guó)伯明翰大學(xué)和劍橋大學(xué)聲稱在理解化學(xué)、生物分子尺度過(guò)程方面取得了“新突破”。

中紅外振動(dòng)輔助發(fā)光（MIRVAL）原理

據(jù)麥姆斯咨詢介紹，英國(guó)伯明翰大學(xué)（University of Birmingham）和劍橋大學(xué)（University of Cambridge）的研究人員開(kāi)發(fā)了一種利用量子系統(tǒng)在室溫下檢測(cè)中紅外光（MIR）的新方法。

這項(xiàng)研究在劍橋大學(xué)卡文迪什實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，研究成果已經(jīng)以“Single-molecule mid-infrared spectroscopy and detection through vibrationally assisted luminescence”為題發(fā)表于Nature Photonics期刊，據(jù)稱該研究“標(biāo)志著科學(xué)家在深入了解化學(xué)和生物分子尺度過(guò)程方面取得了重大突破”。

該團(tuán)隊(duì)在應(yīng)用量子系統(tǒng)的新方法中，利用分子發(fā)射器將低能中紅外光子上轉(zhuǎn)換為高能可見(jiàn)光子。這項(xiàng)創(chuàng)新能夠幫助科學(xué)家在室溫下檢測(cè)中紅外輻射，并在單分子水平上進(jìn)行光譜分析。

伯明翰大學(xué)助理教授、該論文主要作者Rohit Chikkaraddy博士解釋稱：“維持分子中原子之間距離的化學(xué)鍵可以像彈簧一樣振動(dòng)，并且，這些振動(dòng)會(huì)以非常高的頻率產(chǎn)生共振。”

他補(bǔ)充道：“目前的中紅外探測(cè)器需要依賴能量密集且體積龐大的制冷半導(dǎo)體器件，我們的研究為在室溫下探測(cè)中紅外光提供了一種令人興奮的新方法?！?/p>

這種新方案被稱為MIR振動(dòng)輔助發(fā)光（MIRVAL），利用了分子中可見(jiàn)光電子躍遷和中紅外振動(dòng)躍遷之間的耦合。研究團(tuán)隊(duì)將分子發(fā)射器組裝成一個(gè)非常小的等離子體腔，并在中紅外和可見(jiàn)光范圍內(nèi)都能共振。

他們進(jìn)一步對(duì)其進(jìn)行了設(shè)計(jì)改造，使分子振動(dòng)態(tài)和電子態(tài)相互作用，從而有效地將中紅外光轉(zhuǎn)換為增強(qiáng)的可見(jiàn)光。

Chikkaraddy博士解釋稱：“最具挑戰(zhàn)的是將三種截然不同的長(zhǎng)度尺度（數(shù)百納米的可見(jiàn)光波長(zhǎng)、小于一納米的分子振動(dòng)和一萬(wàn)納米的中紅外波長(zhǎng)）整合到一個(gè)平臺(tái)中，并將它們有效地結(jié)合在一起。”

通過(guò)構(gòu)建皮克諧振腔（picocavities，一種由金屬面單原子缺陷形成的能夠捕獲光的極小空腔），研究人員實(shí)現(xiàn)了低于1立方納米的極端光限制體積。這意味著該團(tuán)隊(duì)可以將中紅外光限制在單個(gè)分子的范圍內(nèi)。

這一突破加深了業(yè)界對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)的理解，并為紅外活性分子振動(dòng)打開(kāi)了大門(mén)，這在單分子水平上通常是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。除了純粹的科學(xué)研究，MIRVAL還有望在許多領(lǐng)域發(fā)揮作用。

Chikkaraddy博士總結(jié)稱：“MIRVAL的潛在用途很廣泛，例如實(shí)時(shí)氣體傳感、醫(yī)學(xué)診斷、天文研究和量子通信等，現(xiàn)在我們可以在中紅外頻率下看到單個(gè)分子的振動(dòng)指紋?！?/p>

審核編輯：彭菁