如何利用量子系統在室溫下探測MIR

中紅外(MIR，波長λ=3–30μm）分子振動的室溫檢測，呈現了諸多應用，包括實時氣體傳感、醫學成像和量子通信。然而，由于熱噪聲限制，現有中紅外技術，依然依賴于冷卻的半導體探測器。解決這一挑戰的方法之一是將低能量MIR光子上轉換為高能量可見波長（λ=500–800nm），其中，硅技術很容易實現單個光子的探測。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和劍橋大學的科學家開發了一種新方法，利用量子系統在室溫下探測MIR。這項研究成果發表在《自然·光子學》雜志上，報道了從分子振動和電子態出發，通過弗蘭克-康登因子（Franck–Condon factors）耦合，開發了具有中紅外MIR和可見躍遷的分子發射體。該研究標志著科學家在深入了解化學和生物分子工作方面取得了重大突破。 MIR振動輔助發光（MIRVAL）示意圖 在使用量子系統的新方法中，研究小組利用分子發射器將低能量MIR光子轉換為高能量可見光子。這項新創新能在室溫下檢測MIR，并在單分子水平上進行光譜分析。?

伯明翰大學助理教授、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區域的光激發。在室溫下，這些彈簧處于隨機運動狀態，這意味著檢測MIR的主要挑戰是避免這種熱噪聲?，F代探測器依賴于能源密集型和體積龐大的制冷型半導體設備，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振動輔助發光（MIRVAL），使用具有MIR和可見光兩種能力的分子。該團隊能夠將分子發射器組裝到一個非常小的等離子腔中，該等離子腔在MIR和可見光范圍內共振。他們進一步對其進行工程設計，使分子振動狀態和電子狀態能夠相互作用，從而將MIR光高效地轉換為增強的可見光。 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，對其進行光學泵浦，并展示了MIR的轉換。上轉換信號觀察為增強的可見發光。將珀塞爾Purcell增強的可見發光與增強的振動泵浦率相結合，得到>10%轉導效率transduction efficiencies 。 在振動輔助發光中轉導MIR Chikkaraddy博士繼續說：“最具挑戰性的是將三種截然不同的波長尺度整合到一個平臺上，并有效地結合起來。三種波長尺度分別為：數百納米的可見光波長、小于1納米的分子振動波長以及達到1萬納米的MIR波長?！?

通過制造微腔，研究人員能夠實現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。這意味著該團隊可以將MIR光束限制到單個分子的尺度。

這一突破可以加深對復雜系統的理解，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現的。除純粹的科學研究外，MIRVAL有望在諸多領域發揮作用。 Chikkaraddy博士總結道：“MIRVAL可以有許多用途，如實時氣體傳感、醫學診斷、天文測量和量子通信等，因為我們現在可以看到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現這些應用和在該領域進行進一步研究要容易得多。未來該方法不僅可以應用于實際設備并且重塑MIR技術的未來，而且還可以釋放更多能力，如在分子量子系統中連貫操縱‘彈簧球’原子等復雜相互作用的能力。

審核編輯：彭菁