Naukowcy z uniwersytetów w Birmingham i Cambridge opracowali nową metodę wykrywania światła średniej podczerwieni (MIR) w temperaturze pokojowej za pomocą systemów kwantowych.
Badania, opublikowane dzisiaj (28 sierpnia) w czasopiśmie Nature Photonics, przeprowadzono w Cavendish Laboratory na Uniwersytecie w Cambridge i stanowią znaczący przełom w możliwościach naukowców uzyskania wglądu w działanie cząsteczek chemicznych i biologicznych.
W nowej metodzie wykorzystującej układy kwantowe zespół przekształcił niskoenergetyczne fotony MIR w wysokoenergetyczne fotony widzialne za pomocą emiterów molekularnych. Nowa innowacja może pomóc naukowcom wykryć MIR i przeprowadzić spektroskopię na poziomie pojedynczej cząsteczki, w temperaturze pokojowej.
Dr Rohit Chikkaraddy, adiunkt na Uniwersytecie w Birmingham i główny autor badania, wyjaśnił: „Wiązania utrzymujące odległość między atomami w cząsteczkach mogą wibrować jak sprężyny, a wibracje te rezonują z bardzo wysokimi częstotliwościami. Sprężyny te mogą być wzbudzane przez światło z zakresu średniej podczerwieni, które jest niewidoczne dla ludzkiego oka. W temperaturze pokojowej sprężyny te poruszają się w sposób losowy, co oznacza, że głównym wyzwaniem w wykrywaniu światła średniej podczerwieni jest unikanie szumu termicznego. Nowoczesne detektory opierają się na chłodzonych urządzeniach półprzewodnikowych które są energochłonne i nieporęczne, ale nasze badania przedstawiają nowy i ekscytujący sposób wykrywania tego światła w temperaturze pokojowej.”
Nowe podejście nazywa się luminescencją wspomaganą wibracjami MIR (MIRVAL) i wykorzystuje cząsteczki, które mogą być zarówno MIR, jak i światłem widzialnym. Zespołowi udało się złożyć emitery molekularne w bardzo małą wnękę plazmoniczną, która była rezonansowa zarówno w zakresie MIR, jak i widzialnym. Następnie opracowali go tak, aby molekularne stany wibracyjne i stany elektroniczne mogły oddziaływać na siebie, co skutkowało wydajną transdukcją światła MIR na wzmocnioną luminescencję widzialną.
Dr Chikkaraddy kontynuował: „Największym wyzwaniem było połączenie trzech bardzo różnych skal długości – długości fali widzialnej wynoszącej setki nanometrów, wibracji molekularnych mniejszych niż nanometr oraz długości fal średniej podczerwieni wynoszących dziesięć tysięcy nanometrów – – w jedną platformę i efektywnie je łączyć.”
Poprzez utworzenie pikownęk, niewiarygodnie małych wnęk zatrzymujących światło i utworzonych przez defekty pojedynczych atomów na metalicznych ściankach, badaczom udało się osiągnąć ekstremalną objętość zatrzymującą światło poniżej jednego nanometra sześciennego. Oznaczało to, że zespół mógł ograniczyć światło MIR aż do skali pojedynczej cząsteczki.
Ten przełom może pogłębić zrozumienie złożonych układów i otworzyć drogę do wibracji molekularnych aktywnych w podczerwieni, które są zazwyczaj niedostępne na poziomie pojedynczej cząsteczki. Jednak projekt MIRVAL może okazać się korzystny w wielu dziedzinach, poza czystymi badaniami naukowymi.
Dr Chikkaraddy podsumował: „MIRVAL może mieć wiele zastosowań, takich jak wykrywanie gazu w czasie rzeczywistym, diagnostyka medyczna, badania astronomiczne i komunikacja kwantowa, ponieważ obecnie możemy zobaczyć wibracyjny odcisk palca poszczególnych cząsteczek na częstotliwościach MIR. Zdolność do wykrywania MIR na częstotliwościach MIR temperatura pokojowa oznacza, że znacznie łatwiej jest zbadać te zastosowania i prowadzić dalsze badania w tej dziedzinie.Dzięki dalszemu postępowi ta nowatorska metoda może nie tylko znaleźć zastosowanie w praktycznych urządzeniach, które będą kształtować przyszłość technologii MIR, ale także odblokować zdolność do spójnego manipulowania zawiłą współpracą atomów „kulek ze sprężynami” w molekularnych układach kwantowych”.