英國伯明翰大學和劍橋大學聲稱在理解化學、生物分子尺度過程方面取得了“新突破”。

中紅外振動輔助發光（MIRVAL）原理

據麥姆斯咨詢介紹，英國伯明翰大學（University of Birmingham）和劍橋大學（University of Cambridge）的研究人員開發了一種利用量子系統在室溫下檢測中紅外光（MIR）的新方法。

這項研究在劍橋大學卡文迪什實驗室進行，研究成果已經以“Single-molecule mid-infrared spectroscopy and detection through vibrationally assisted luminescence”為題發表于Nature Photonics期刊，據稱該研究“標志著科學家在深入了解化學和生物分子尺度過程方面取得了重大突破”。

該團隊在應用量子系統的新方法中，利用分子發射器將低能中紅外光子上轉換為高能可見光子。這項創新能夠幫助科學家在室溫下檢測中紅外輻射，并在單分子水平上進行光譜分析。

伯明翰大學助理教授、該論文主要作者Rohit Chikkaraddy博士解釋稱：“維持分子中原子之間距離的化學鍵可以像彈簧一樣振動，并且，這些振動會以非常高的頻率產生共振。”

他補充道：“目前的中紅外探測器需要依賴能量密集且體積龐大的制冷半導體器件，我們的研究為在室溫下探測中紅外光提供了一種令人興奮的新方法。”

這種新方案被稱為MIR振動輔助發光（MIRVAL），利用了分子中可見光電子躍遷和中紅外振動躍遷之間的耦合。研究團隊將分子發射器組裝成一個非常小的等離子體腔，并在中紅外和可見光范圍內都能共振。

他們進一步對其進行了設計改造，使分子振動態和電子態相互作用，從而有效地將中紅外光轉換為增強的可見光。

Chikkaraddy博士解釋稱：“最具挑戰的是將三種截然不同的長度尺度（數百納米的可見光波長、小于一納米的分子振動和一萬納米的中紅外波長）整合到一個平臺中，并將它們有效地結合在一起。”

通過構建皮克諧振腔（picocavities，一種由金屬面單原子缺陷形成的能夠捕獲光的極小空腔），研究人員實現了低于1立方納米的極端光限制體積。這意味著該團隊可以將中紅外光限制在單個分子的范圍內。

這一突破加深了業界對復雜系統的理解，并為紅外活性分子振動打開了大門，這在單分子水平上通常是無法實現的。除了純粹的科學研究，MIRVAL還有望在許多領域發揮作用。

Chikkaraddy博士總結稱：“MIRVAL的潛在用途很廣泛，例如實時氣體傳感、醫學診斷、天文研究和量子通信等，現在我們可以在中紅外頻率下看到單個分子的振動指紋。”

審核編輯：彭菁