如何利用量子系統(tǒng)在室溫下探測MIR

中紅外(MIR，波長λ=3–30μm）分子振動的室溫檢測，呈現(xiàn)了諸多應(yīng)用，包括實(shí)時氣體傳感、醫(yī)學(xué)成像和量子通信。然而，由于熱噪聲限制，現(xiàn)有中紅外技術(shù)，依然依賴于冷卻的半導(dǎo)體探測器。解決這一挑戰(zhàn)的方法之一是將低能量MIR光子上轉(zhuǎn)換為高能量可見波長（λ=500–800nm），其中，硅技術(shù)很容易實(shí)現(xiàn)單個光子的探測。這一過程，受到弱截面weak cross-sections和MIR到可見光波長失配的影響，限制了其效率。 來自英國伯明翰大學(xué)和劍橋大學(xué)的科學(xué)家開發(fā)了一種新方法，利用量子系統(tǒng)在室溫下探測MIR。這項(xiàng)研究成果發(fā)表在《自然·光子學(xué)》雜志上，報(bào)道了從分子振動和電子態(tài)出發(fā)，通過弗蘭克-康登因子（Franck–Condon factors）耦合，開發(fā)了具有中紅外MIR和可見躍遷的分子發(fā)射體。該研究標(biāo)志著科學(xué)家在深入了解化學(xué)和生物分子工作方面取得了重大突破。 MIR振動輔助發(fā)光（MIRVAL）示意圖 在使用量子系統(tǒng)的新方法中，研究小組利用分子發(fā)射器將低能量MIR光子轉(zhuǎn)換為高能量可見光子。這項(xiàng)新創(chuàng)新能在室溫下檢測MIR，并在單分子水平上進(jìn)行光譜分析。?

伯明翰大學(xué)助理教授、該研究的主要作者Rohit Chikkaraddy博士解釋說：“維持分子中原子間距離的鍵能像彈簧一樣振動，這些振動在非常高的頻率下共振。這些彈簧可以被人眼不可見的MIR區(qū)域的光激發(fā)。在室溫下，這些彈簧處于隨機(jī)運(yùn)動狀態(tài)，這意味著檢測MIR的主要挑戰(zhàn)是避免這種熱噪聲?，F(xiàn)代探測器依賴于能源密集型和體積龐大的制冷型半導(dǎo)體設(shè)備，但該研究提出了一種在室溫下檢測紅外光的新方法?！?/p>

這種新方法被稱為MIR振動輔助發(fā)光（MIRVAL），使用具有MIR和可見光兩種能力的分子。該團(tuán)隊(duì)能夠?qū)⒎肿影l(fā)射器組裝到一個非常小的等離子腔中，該等離子腔在MIR和可見光范圍內(nèi)共振。他們進(jìn)一步對其進(jìn)行工程設(shè)計(jì)，使分子振動狀態(tài)和電子狀態(tài)能夠相互作用，從而將MIR光高效地轉(zhuǎn)換為增強(qiáng)的可見光。 將分子組裝到在MIR和可見光波長共振的等離子體納米腔中，并在電子吸收帶以下，對其進(jìn)行光學(xué)泵浦，并展示了MIR的轉(zhuǎn)換。上轉(zhuǎn)換信號觀察為增強(qiáng)的可見發(fā)光。將珀塞爾Purcell增強(qiáng)的可見發(fā)光與增強(qiáng)的振動泵浦率相結(jié)合，得到>10%轉(zhuǎn)導(dǎo)效率transduction efficiencies 。 在振動輔助發(fā)光中轉(zhuǎn)導(dǎo)MIR Chikkaraddy博士繼續(xù)說：“最具挑戰(zhàn)性的是將三種截然不同的波長尺度整合到一個平臺上，并有效地結(jié)合起來。三種波長尺度分別為：數(shù)百納米的可見光波長、小于1納米的分子振動波長以及達(dá)到1萬納米的MIR波長?！?

通過制造微腔，研究人員能夠?qū)崿F(xiàn)1立方納米的極端光束限制體積。微腔是一種由金屬表面的單原子缺陷形成的極小腔體，能夠捕獲光線。這意味著該團(tuán)隊(duì)可以將MIR光束限制到單個分子的尺度。

這一突破可以加深對復(fù)雜系統(tǒng)的理解，并打開了通往紅外活躍分子振動的大門，這些振動通常在單分子水平上是無法實(shí)現(xiàn)的。除純粹的科學(xué)研究外，MIRVAL有望在諸多領(lǐng)域發(fā)揮作用。 Chikkaraddy博士總結(jié)道：“MIRVAL可以有許多用途，如實(shí)時氣體傳感、醫(yī)學(xué)診斷、天文測量和量子通信等，因?yàn)槲覀儸F(xiàn)在可以看到MIR頻率下單個分子的振動指紋。在室溫下檢測MIR的能力意味著探索實(shí)現(xiàn)這些應(yīng)用和在該領(lǐng)域進(jìn)行進(jìn)一步研究要容易得多。未來該方法不僅可以應(yīng)用于實(shí)際設(shè)備并且重塑MIR技術(shù)的未來，而且還可以釋放更多能力，如在分子量子系統(tǒng)中連貫操縱‘彈簧球’原子等復(fù)雜相互作用的能力。

審核編輯：彭菁