【光电前沿】利用量子系统实现室温探测中红外光

据报道，伯明翰大学和剑桥大学的研究团队开发出一种利用量子系统在室温下探测中红外（MIR）光的新方法。这项研究发表在8月28日的《Nature Photonics》上。此项研究标志着研究团队在深入了解化学和生物分子工作原理方面取得重大突破。

在使用量子系统的新探测方法中，研究团队利用分子发射器将低能量的中红外光子转换为高能量的可见光子。这项创新技术实现了在室温下探测中红外光，并在单分子水平上进行光谱分析。

分子中保持原子间距的键会像弹簧一样振动，产生非常高的共振频率。这些键可以被人眼不可见的中红外光激发。在室温下，键随机运动，因此避免热噪声是探测中红外光的一大挑战。现代探测器依赖于高能耗、大体积的冷却半导体器件，研究团队提出一种在室温下探测中红外光的新方法——中红外振动辅助发光（MIRVAL）。

该方法使用的分子既能发出中红外光，也能发出可见光。研究团队将分子发射器组装成一个非常小的等离子腔。该等离子腔在中红外和可见光范围内都能产生共振。研究团队通过进一步改善等离子腔，使腔内分子振动态和电子态能够相互作用，从而将中红外光有效地转化为增强的可见光。

研究的难点是将三种不同的波长尺度（数百纳米的可见光波长、小于1nm的分子振动和上万纳米的中红外波长）整合到一个平台中，并有效结合在一起。

研究人员通过创建微腔实现低于1nm²的极端光约束体积。微腔是一种由金属面上的单原子缺陷形成的极小的空腔，可捕获光线。这意味着该团队可以将中红外光一直限制在单个分子的范围内。

这一突破有助于加深研究人员对复杂系统的理解，并为红外活性分子振动打开大门，而在单分子水平上的红外活性分子振动通常被认为无法实现。除纯粹的科学研究外，MIRVAL将在许多领域发挥作用，如实时气体传感、医疗诊断、天文观测和量子通信。

（八三五八所 杨茗）

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