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中紅外振動輔助發(fā)光示意圖。圖片來源：論文主要作者、伯明翰大學(xué)助理教授、羅希特·奇卡拉迪博士

科技日報記者?張佳欣

據(jù)28日《自然·光子學(xué)》雜志報道，英國伯明翰大學(xué)和劍橋大學(xué)的科學(xué)家開發(fā)了一種使用量子系統(tǒng)在室溫下探測中紅外（MIR）光的新方法，他們使用分子發(fā)射器將低能量MIR光子轉(zhuǎn)換為高能的可見光光子。這項創(chuàng)新方法能夠幫助科學(xué)家在單分子水平上進行光譜分析，這標志著科學(xué)家在深入了解化學(xué)和生物分子的能力方面的重大進步。

研究人員解釋說，維持分子中原子之間距離的鍵可像彈簧一樣振動，同時這些振動會在非常高的頻率下產(chǎn)生共振，它們可被人眼看不見的中紅外區(qū)域光激發(fā)。室溫下的鍵隨機運動，因此，探測中紅外光的一個主要挑戰(zhàn)是避免這種熱噪聲。現(xiàn)代探測器依賴于能量密集型和體積龐大的冷卻半導(dǎo)體器件，但此次研究提出了一種在室溫下檢測這種光的新方法。

新方法被稱為中紅外振動輔助發(fā)光（MIRVAL），它使用既能成為中紅外光又能成為可見光的分子。該團隊將分子發(fā)射器組裝成一個非常小的等離子體腔，該腔在中紅外光和可見光范圍內(nèi)都是共振的。他們進一步對其進行了改造，使分子的振動態(tài)和電子態(tài)能夠相互作用，從而有效地將中紅外光轉(zhuǎn)換為增強的可見光。

通過創(chuàng)造微腔，研究人員實現(xiàn)了低于1立方納米的極端光限制體積。微腔是一種由金屬面上的單原子缺陷形成的極小的空腔，可捕獲光線。這意味著該團隊可將中紅外光限制到單個分子的規(guī)模。

該突破能夠加深科學(xué)家對復(fù)雜系統(tǒng)的理解，并打開紅外活性分子振動的大門，這在單分子水平上通常是無法獲得的。除了純粹的科學(xué)研究外，MIRVAL還可在許多領(lǐng)域發(fā)揮作用，如實時氣體傳感、醫(yī)學(xué)診斷、天文測量和量子通信等。

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