让看不见的变为看得见的 让中红外光在室温下也能被探测到的新方法
发布时间：2023-08-29 09:43:09 阅读数： 55
近红外振动辅助发光（MIRVAL）。资料来源：伯明翰大学物理学助理教授 Rohit Chikkaraddy 博士。
伯明翰大学和剑桥大学的科学家们开发出了一种利用量子系统在室温下探测中红外（MIR）光的新方法。
这项发表在《自然-光子学》（Nature Photonics）上的研究是在剑桥大学卡文迪什实验室进行的，标志着科学家在深入了解化学和生物分子工作能力方面取得了重大突破。
在使用量子系统的新方法中，研究小组利用分子发射器将低能量的近红外光子转换为高能量的可见光光子。这项新的创新有能力帮助科学家在室温下检测中红外，并在单分子水平上进行光谱分析。
伯明翰大学助理教授、该研究的第一作者 Rohit Chikkaraddy 博士解释说："分子中保持原子间距的键会像弹簧一样振动，这些振动会产生高频共振。这些弹簧可以被人眼看不见的中红外区域光激发。"
"在室温下，这些弹簧处于随机运动状态，这意味着探测中红外光的一大挑战就是避免这种热噪声。现代探测器依赖于冷却的半导体器件，这些器件能耗高、体积大，但我们的研究提出了一种在室温下探测这种光的新方法，令人叹为观止。"
这种新方法被称为中红外振动辅助发光（MIRVAL），它使用的分子既能发出中红外光，也能发出可见光。研究小组能够将分子发射器组装成一个非常小的等离子腔体，该腔体在中红外和可见光范围内都能产生共振。他们进一步设计了这种腔体，使分子振动态和电子态能够相互作用，从而将中红外光有效地转换成增强的可见光。
Chikkaraddy 博士继续说："最具挑战性的方面是将三种截然不同的长度尺度--数百纳米的可见光波长、小于一纳米的分子振动以及上万纳米的中红外波长--整合到一个平台中，并将它们有效地结合在一起。
研究人员通过创造皮腔--由金属面上的单原子缺陷形成的捕获光的难以置信的小空腔--能够实现低于一立方纳米的极端光约束体积。这意味着研究小组可以将中红外光限制到单分子的尺度。
这一突破能够加深对复杂系统的理解，并打开通往红外活性分子振动的大门，而在单分子水平上通常是无法实现的。但事实证明，除了纯粹的科学研究之外，MIRVAL 还能在许多领域发挥作用。
Chikkaraddy 博士总结说："MIRVAL 可以有多种用途，如实时气体传感、医疗诊断、天文观测和量子通信，因为我们现在可以看到单个分子在 MIR 频率下的振动指纹。能够在室温下检测中红外，意味着探索这些应用和在这一领域开展进一步研究变得更加容易了。
"通过进一步发展，这种新方法不仅可以应用于塑造未来近红外技术的实用设备中，而且还能解锁连贯操纵分子量子系统中'带弹簧的球'原子错综复杂的相互作用的能力。"
参考资料
Single-molecule mid-infrared spectroscopy and detection through vibrationally assisted luminescence, Nature Photonics (2023). DOI: 10.1038/s41566-023-01263-4
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