Nová metoda umožňuje vidět infračervené světlo při pokojové teplotě

Kvantově odvozené výsledky mohou značně zjednodušit detekci středního infračerveného světla při pokojových teplotách.

Výzkumníci z University of Birmingham a University of Cambridge odhalili průkopnickou techniku, která umožňuje detekci středního infračerveného světla (MIR) při pokojové teplotě pomocí kvantových systémů.

Publikováno v Přírodní fotonikaTato studie byla provedena v Cavendish Laboratory v Cambridge a představuje velký pokrok ve schopnosti vědců získat vhled do fungování chemických a biologických molekul.

V nové metodě, která využívá kvantové systémy, tým převedl nízkoenergetické MIR fotony na vysokoenergetické viditelné fotony pomocí molekulárních emitorů. Nová inovace má potenciál pomoci vědcům detekovat MIR a provádět spektroskopii na úrovni jedné molekuly při pokojové teplotě.

Dr. Rohit Shekaradi, odborný asistent University of BirminghamVedoucí autor studie vysvětlil: „Vazby, které udržují vzdálenost mezi atomy v molekulách, mohou vibrovat jako pružiny a tyto vibrace rezonují na velmi vysokých frekvencích. Tyto pružiny mohou být spuštěny středním infračerveným světlem, které není pro lidské oko viditelné. Při pokojové teplotě jsou tyto pružiny v náhodném pohybu, což znamená, že hlavním problémem při detekci středního infračerveného světla je vyhnout se tomuto tepelnému šumu. Moderní detektory se spoléhají na objemná, energeticky náročná polovodičová zařízení, ale náš výzkum nabízí vzrušující nový způsob, jak detekovat toto světlo při pokojové teplotě.

Nový přístup se nazývá MIR Vibrationally-Assisted Luminescent (MIRVAL) a využívá molekuly, které mají potenciál být MIR a viditelným světlem. Tým byl schopen zabalit molekulární emitory do velmi malé plasmonické dutiny, která rezonovala v pásmu MIR i ve viditelném pásmu. Navrhli jej také tak, že molekulární vibrační stavy a elektronické stavy jsou schopny interagovat, což vede k účinnému přenosu MIR světla do zvýšené viditelné fluorescence.

Dr Chikaradi pokračoval: „Nejnáročnějším aspektem bylo efektivně spojit tři velmi různé délkové škály – viditelné vlnové délky stovek nanometrů, molekulární vibrace menší než nanometr a střední infračervené vlnové délky deset tisíc nanometrů – do jediné platformy. „

Vytvořením pikokavitních dutin, neuvěřitelně malých dutinek zachycujících světlo složených z jednotlivých molekulkukuřice S defekty na kovových stranách byli vědci schopni dosáhnout extrémního objemu zachycujícího světlo menší než jeden krychlový nanometr. To znamená, že tým je schopen omezit MIR světlo na velikost jedné molekuly.

Tento úspěch má potenciál prohloubit porozumění komplexním systémům a otevírá bránu molekulárním vibracím infračervené energie, které jsou běžně na úrovni jedné molekuly nepřístupné. Ale MERVAL by mohl být užitečný v řadě oblastí, mimo čistě vědecký výzkum.

Dr Chikaradi uzavřel: „MIRVAL by mohl mít řadu využití, jako je snímání plynu v reálném čase, lékařská diagnostika, astronomické průzkumy a kvantová komunikace, protože nyní můžeme vidět vibrační podpis jednotlivých molekul na frekvencích MIR. Schopnost detekovat MIR při pokojové teplotě znamená, že je mnohem snazší prozkoumat tyto aplikace a další výzkum v této oblasti. S dalším pokrokem si tato nová metoda najde cestu nejen do praktických zařízení, která budou utvářet budoucnost technologií MIR, ale také odemkne schopnost koherentně manipulovat s komplexní interakcí mezi atomy „jarní koule“ v molekulárních kvantových systémech.

Reference: “Single-molecular mid-infrared spectroscopy and detection with vibration-assistance scintillation” od Rohit Chikaradi, Rakesh Arul a Lucas A. Jacob a Jeremy J. Bomberg, 28. srpna 2023, k dispozici zde. Přírodní fotonika.
doi: 10.1038/s41566-023-01263-4