伯明翰大学和剑桥大学的科学家们开发了一种利用量子系统在室温下探测中红外(MIR)光的新方法。
这项研究发表在《自然光子学》杂志上，由剑桥大学卡文迪什实验室进行，标志着科学家在深入了解化学和生物分子的工作方面取得了重大突破。
在使用量子系统的新方法中，该团队使用分子发射器将低能MIR光子转换为高能可见光子。这项新发明能够帮助科学家在室温下检测MIR并在单分子水平上进行光谱分析。
伯明翰大学的助理教授Rohit Chikkaraddy博士是这项研究的主要作者，他解释说:“保持分子中原子之间距离的键可以像弹簧一样振动，这些振动在非常高的频率上产生共鸣。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，这意味着检测中红外光的主要挑战是避免这种热噪声。现代探测器依赖于能量密集且体积庞大的冷却半导体设备，但我们的研究提出了一种在室温下检测这种光的新方法。”
这种新方法被称为MIR振动辅助发光(MIRVAL)，它使用的分子既能发出MIR光，又能发出可见光。该团队能够将分子发射器组装成一个非常小的等离子体腔，该腔在MIR和可见光范围内都能共振。他们进一步设计了它，使分子振动态和电子态能够相互作用，从而有效地将MIR光转导成增强的可见光。
Chikkaraddy博士继续说道:“最具挑战性的方面是将三种截然不同的长度尺度——数百纳米的可见波长，小于一纳米的分子振动，以及10000纳米的中红外波长——整合到一个平台上，并有效地将它们结合起来。”
通过制造小空腔，这种难以置信的小空腔可以捕获光，并由金属表面上的单原子缺陷形成，研究人员能够实现低于一立方纳米的极端光限制体积。这意味着该团队可以将MIR光一直限制在单个分子的尺度上。
这一突破有能力加深对复杂系统的理解，并打开了红外主动分子振动的大门，这通常是在单分子水平上无法实现的。但除了纯科学研究之外，MIRVAL还可以在许多领域被证明是有益的。
Chikkaraddy博士总结道:“MIRVAL可以有很多用途，比如实时气体传感、医学诊断、天文调查和量子通信，因为我们现在可以看到MIR频率下单个分子的振动指纹。在室温下检测MIR的能力意味着探索这些应用并在该领域进行进一步研究要容易得多。”
“通过进一步的进步，这种新方法不仅可以进入实际设备，塑造MIR技术的未来，而且还可以解锁在分子量子系统中连贯地操纵'球与弹簧'原子复杂相互作用的能力。”
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