物理学家们提出了一种新型探测红外辐射的方法

据麦姆斯咨询报道，近日，洛桑联邦理工学院（EPFL）的物理学家们提出了一种新型探测红外辐射的方法，具备高灵敏度的同时，甚至能够探测到单光子信号。这是一种基于分子光力学平台的纳米级解决方案，可将太赫兹和中红外（MIR)）光子上转换到可见光-近红外（VIS-NIR）波段，并利用全量子模型对其附加噪声和转换效率进行详细分析。该研究以题为“Molecular platform for frequency upconversion at the single-photon level”，发表于physics.optics，论文地址为：https://arxiv.org/abs/1910.11395v1。

在使用网络摄像头或手机摄像头时，我们会体验到过去几十年来针对电磁频谱可见区域开发的廉价、紧凑型传感器的强大功能。相反，探测肉眼不可见的低频辐射（如中、远红外辐射)）则需要复杂且昂贵的设备。由于缺乏紧凑型技术，用于分子识别，以及对人体自然发出的热辐射进行成像的传感器还未得到广泛使用。因此，这一领域的新概念突破可能会对我们的日常生活产生巨大影响。目前在环境条件下直接探测波长大于2微米的单光子仍是一项严峻的技术挑战。

目前探测中远红外辐射最流行的技术是微测辐射热计，它是由一排小型温度计阵列组成，通过测量吸收辐射所产生的热量。这种探测器有许多局限性，特别是响应速度慢，且无法探测到微弱的辐射信号。

由Christophe Galland和Tobias Kippenberg领导的EPFL团队提出了一种新探测方法，其遵循了一条完全不同的途径：首先将不可见的辐射转换成可见光，然后用现有的技术进行探测。该新概念的核心是杂化金属-分子纳米结构。这种金属经过修饰，可以将红外辐射聚焦在分子上，从而使分子产生振动。然后振动分子的能量再次转化为辐射，但这一次是辐射出可见光。这种与Diego Martin-Cano（德国埃尔兰根的马克斯-普朗克光研究所）合作设计的混合纳米结构可实现高转换效率，同时将器件缩小到远小于红外光波长的尺寸。

图1 (a)为研究中研制的变频器件示意图；(b)为光机转换机制的频率图。

该研究的第一作者Philippe Roelli认为，在其方案所设想的各种概念性进展中，最吸引人的方面涉及其潜在的灵敏度：“在转换过程中，分子振动所产生的低水平噪声使在室温下检测极其微弱的信号成为可能。借助先进的设备，我们有望实现量子受限的转换，并有机会解决红外光的单光子探测。”

EPFL的研究将启发未来在表面科学、纳米技术和量子光学之间的交叉工作，以促进在红外传感和成像领域应用的新型设备的发展。

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