研究人员开发出室温下检测中红外光的“量子”方法
2023-09-03 13:50:35   来源：麦姆斯咨询   评论：0   点击：

英国伯明翰大学和剑桥大学声称在理解化学、生物分子尺度过程方面取得了“新突破”。

中红外振动辅助发光（MIRVAL）原理

据麦姆斯咨询介绍，英国伯明翰大学（University of Birmingham）和剑桥大学（University of Cambridge）的研究人员开发了一种利用量子系统在室温下检测中红外光（MIR）的新方法。

这项研究在剑桥大学卡文迪什实验室进行，研究成果已经以“Single-molecule mid-infrared spectroscopy and detection through vibrationally assisted luminescence”为题发表于Nature Photonics期刊，据称该研究“标志着科学家在深入了解化学和生物分子尺度过程方面取得了重大突破”。

该团队在应用量子系统的新方法中，利用分子发射器将低能中红外光子上转换为高能可见光子。这项创新能够帮助科学家在室温下检测中红外辐射，并在单分子水平上进行光谱分析。

伯明翰大学助理教授、该论文主要作者Rohit Chikkaraddy博士解释称：“维持分子中原子之间距离的化学键可以像弹簧一样振动，并且，这些振动会以非常高的频率产生共振。”

他补充道：“目前的中红外探测器需要依赖能量密集且体积庞大的制冷半导体器件，我们的研究为在室温下探测中红外光提供了一种令人兴奋的新方法。”

这种新方案被称为MIR振动辅助发光（MIRVAL），利用了分子中可见光电子跃迁和中红外振动跃迁之间的耦合。研究团队将分子发射器组装成一个非常小的等离子体腔，并在中红外和可见光范围内都能共振。

他们进一步对其进行了设计改造，使分子振动态和电子态相互作用，从而有效地将中红外光转换为增强的可见光。

Chikkaraddy博士解释称：“最具挑战的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和一万纳米的中红外波长）整合到一个平台中，并将它们有效地结合在一起。”

通过构建皮克谐振腔（picocavities，一种由金属面单原子缺陷形成的能够捕获光的极小空腔），研究人员实现了低于1立方纳米的极端光限制体积。这意味着该团队可以将中红外光限制在单个分子的范围内。

这一突破加深了业界对复杂系统的理解，并为红外活性分子振动打开了大门，这在单分子水平上通常是无法实现的。除了纯粹的科学研究，MIRVAL还有望在许多领域发挥作用。

Chikkaraddy博士总结称：“MIRVAL的潜在用途很广泛，例如实时气体传感、医学诊断、天文研究和量子通信等，现在我们可以在中红外频率下看到单个分子的振动指纹。”

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《量子传感器技术及市场-2023版》