物理學(xué)家們提出了一種新型探測紅外輻射的方法

據(jù)麥姆斯咨詢報道，近日，洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院（EPFL）的物理學(xué)家們提出了一種新型探測紅外輻射的方法，具備高靈敏度的同時，甚至能夠探測到單光子信號。這是一種基于分子光力學(xué)平臺的納米級解決方案，可將太赫茲和中紅外（MIR)）光子上轉(zhuǎn)換到可見光-近紅外（VIS-NIR）波段，并利用全量子模型對其附加噪聲和轉(zhuǎn)換效率進行詳細分析。該研究以題為“Molecular platform for frequency upconversion at the single-photon level”，發(fā)表于physics.optics，論文地址為：https://arxiv.org/abs/1910.11395v1。

在使用網(wǎng)絡(luò)攝像頭或手機攝像頭時，我們會體驗到過去幾十年來針對電磁頻譜可見區(qū)域開發(fā)的廉價、緊湊型傳感器的強大功能。相反，探測肉眼不可見的低頻輻射（如中、遠紅外輻射)）則需要復(fù)雜且昂貴的設(shè)備。由于缺乏緊湊型技術(shù)，用于分子識別，以及對人體自然發(fā)出的熱輻射進行成像的傳感器還未得到廣泛使用。因此，這一領(lǐng)域的新概念突破可能會對我們的日常生活產(chǎn)生巨大影響。目前在環(huán)境條件下直接探測波長大于2微米的單光子仍是一項嚴峻的技術(shù)挑戰(zhàn)。

目前探測中遠紅外輻射最流行的技術(shù)是微測輻射熱計，它是由一排小型溫度計陣列組成，通過測量吸收輻射所產(chǎn)生的熱量。這種探測器有許多局限性，特別是響應(yīng)速度慢，且無法探測到微弱的輻射信號。

由Christophe Galland和Tobias Kippenberg領(lǐng)導(dǎo)的EPFL團隊提出了一種新探測方法，其遵循了一條完全不同的途徑：首先將不可見的輻射轉(zhuǎn)換成可見光，然后用現(xiàn)有的技術(shù)進行探測。該新概念的核心是雜化金屬-分子納米結(jié)構(gòu)。這種金屬經(jīng)過修飾，可以將紅外輻射聚焦在分子上，從而使分子產(chǎn)生振動。然后振動分子的能量再次轉(zhuǎn)化為輻射，但這一次是輻射出可見光。這種與Diego Martin-Cano（德國埃爾蘭根的馬克斯-普朗克光研究所）合作設(shè)計的混合納米結(jié)構(gòu)可實現(xiàn)高轉(zhuǎn)換效率，同時將器件縮小到遠小于紅外光波長的尺寸。

圖1 (a)為研究中研制的變頻器件示意圖；(b)為光機轉(zhuǎn)換機制的頻率圖。

該研究的第一作者Philippe Roelli認為，在其方案所設(shè)想的各種概念性進展中，最吸引人的方面涉及其潛在的靈敏度：“在轉(zhuǎn)換過程中，分子振動所產(chǎn)生的低水平噪聲使在室溫下檢測極其微弱的信號成為可能。借助先進的設(shè)備，我們有望實現(xiàn)量子受限的轉(zhuǎn)換，并有機會解決紅外光的單光子探測。”

EPFL的研究將啟發(fā)未來在表面科學(xué)、納米技術(shù)和量子光學(xué)之間的交叉工作，以促進在紅外傳感和成像領(lǐng)域應(yīng)用的新型設(shè)備的發(fā)展。

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