MIR振动辅助发光可实现一立方纳米以下的极端光束限制体积

来自伯明翰大学和剑桥大学的科学家们开发了一种新方法，利用量子系统在室温下探测中红外线(MIR)光。 这项研究成果发表在《自然·光子学》杂志上，在剑桥大学卡文迪什实验室进行，标志着科学家在洞察化学和生物分子工作方面取得了重大突破。

MIR振动辅助发光（MIRVAL） 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MIR光子转换为高能量可见光子。这项新创新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学。

伯明翰大学助理教授、该研究的主要作者Rohit Chikkaraddy博士解释说：“维持分子中原子间距离的键能像弹簧一样振动，这些振动在非常高的频率下共振。这些弹簧可以被人眼不可见的中红外线区域的光激发。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。现代探测器依赖于冷却半导体设备，这是一种能源密集型和体积庞大的设备，但我们的研究提出了一种新的和令人兴奋的方法，在室温下检测这种光。”

这种新方法被称为MIR振动辅助发光(MIRVAL)，使用具有MIR和可见光两种能力的分子。该团队能够将分子发射器组装到一个非常小的等离子腔中，该等离子腔在MIR和可见光范围内共振。他们进一步对其进行工程设计，使分子振动状态和电子状态能够相互作用，从而将MIR光高效地转换为增强的可见光发光。 Chikkaraddy博士继续说：“最具挑战性的是将三个截然不同的长度尺度——可见光波长为数百纳米，分子振动波长小于1纳米，中红外波长为1万纳米——整合到一个平台上，并有效地结合起来。”

通过制造微腔，微腔是金属表面的单原子缺陷形成的，它是一种非常小的腔体，能够捕获光线，研究人员能够实现一立方纳米以下的极端光束限制体积。这意味着该团队可以将MIR光束限制到单个分子的尺度。

这一突破可以加深对复杂系统的理解，并打开了通往红外线活跃分子振动的大门，这些振动通常在单分子水平上是无法实现的。但MIRVAL可能在许多领域都有益处，而不仅仅是纯粹的科学研究。 Chikkaraddy博士总结道：“MIRVAL可以有许多用途，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和在这个领域进行进一步研究要容易得多。通过进一步的进展，这种新颖的方法不仅可以找到它进入实际设备的方式，将塑造MIR技术的未来，而且还可以释放出在分子量子系统中连贯地操纵‘弹簧球’原子复杂相互作用的能力。”

审核编辑：彭菁