如何利用量子系统在室温下探测MIR

中红外(MIR，波长λ=3–30µm）分子振动的室温检测，呈现了诸多应用，包括实时气体传感、医学成像和量子通信。然而，由于热噪声限制，现有中红外技术，依然依赖于冷却的半导体探测器。解决这一挑战的方法之一是将低能量MIR光子上转换为高能量可见波长（λ=500–800nm），其中，硅技术很容易实现单个光子的探测。这一过程，受到弱截面weak cross-sections和MIR到可见光波长失配的影响，限制了其效率。 来自英国伯明翰大学和剑桥大学的科学家开发了一种新方法，利用量子系统在室温下探测MIR。这项研究成果发表在《自然·光子学》杂志上，报道了从分子振动和电子态出发，通过弗兰克-康登因子（Franck–Condon factors）耦合，开发了具有中红外MIR和可见跃迁的分子发射体。该研究标志着科学家在深入了解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）示意图 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MIR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MIR的主要挑战是避免这种热噪声。现代探测器依赖于能源密集型和体积庞大的制冷型半导体设备，但该研究提出了一种在室温下检测红外光的新方法。”

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。 将分子组装到在MIR和可见光波长共振的等离子体纳米腔中，并在电子吸收带以下，对其进行光学泵浦，并展示了MIR的转换。上转换信号观察为增强的可见发光。将珀塞尔Purcell增强的可见发光与增强的振动泵浦率相结合，得到>10%转导效率transduction efficiencies 。 在振动辅助发光中转导MIR Chikkaraddy博士继续说：“最具挑战性的是将三种截然不同的波长尺度整合到一个平台上，并有效地结合起来。三种波长尺度分别为：数百纳米的可见光波长、小于1纳米的分子振动波长以及达到1万纳米的MIR波长。” 

通过制造微腔，研究人员能够实现1立方纳米的极端光束限制体积。微腔是一种由金属表面的单原子缺陷形成的极小腔体，能够捕获光线。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。除纯粹的科学研究外，MIRVAL有望在诸多领域发挥作用。 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、天文测量和量子通信等，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的能力意味着探索实现这些应用和在该领域进行进一步研究要容易得多。未来该方法不仅可以应用于实际设备并且重塑MIR技术的未来，而且还可以释放更多能力，如在分子量子系统中连贯操纵‘弹簧球’原子等复杂相互作用的能力。

审核编辑：彭菁