Nature Photonics: Ученые добились невозможного и сделали невидимое видимым

Ученые из Бирмингемского и Кембриджского университетов разработали новый метод обнаружения среднего инфракрасного, или MIR, света при комнатной температуре с помощью квантовых систем.

Исследование, опубликованное сегодня (28 августа) в журнале Nature Photonics, было проведено в Кавендишской лаборатории Кембриджского университета и знаменует собой значительный прорыв в возможности получения учеными информации о работе химических и биологических молекул.

В новом методе, использующем квантовые системы, специалисты преобразовывали низкоэнергетические фотоны инфракрасного диапазона в высокоэнергетические фотоны видимого диапазона с помощью молекулярных излучателей. Новая разработка способна помочь ученым обнаруживать MIR и проводить спектроскопию на уровне одной молекулы при комнатной температуре.

Доктор Рохит Чиккарадди, доцент Бирмингемского университета и ведущий автор исследования, пояснил:

Связи, поддерживающие расстояние между атомами в молекулах, могут колебаться подобно пружинам, и эти колебания резонируют на очень высоких частотах. Эти пружины могут возбуждаться светом средней инфракрасной области, невидимым для человеческого глаза.

При комнатной температуре эти пружины находятся в беспорядочном движении, поэтому основная проблема обнаружения инфракрасного излучения заключается в устранении теплового шума.

Современные детекторы основаны на охлаждаемых полупроводниковых приборах, которые являются энергоемкими и громоздкими, но наше исследование представляет новый и захватывающий способ обнаружения этого света при комнатной температуре.

Новый подход называется MIR Vibrationally-Assisted Luminescence (MIRVAL), и в нем используются молекулы, способные излучать как MIR, так и видимый свет. Специалисты смогли собрать молекулярные излучатели в очень маленький плазмонный резонатор, который резонировал как в ближнем, так и в видимом диапазонах. Далее они сконструировали его таким образом, чтобы колебательные и электронные состояния молекул могли взаимодействовать, что привело к эффективной трансдукции ИК-излучения в усиленную видимую люминесценцию.

Доктор Чиккарадди продолжил:

Наиболее сложным аспектом было объединить три совершенно разных масштаба длины волны — видимое излучение, составляющее сотни нанометров, молекулярные колебания, составляющие менее одного нанометра, и среднее инфракрасное излучение, составляющее десять тысяч нанометров, — в одной платформе и эффективно совместить их.

Благодаря созданию пикополостей — невероятно маленьких полостей, улавливающих свет и образованных одноатомными дефектами на металлических гранях, — исследователи смогли достичь экстремального объема удержания света менее одного кубического нанометра. Это означает, что группа исследователей может удерживать свет MIR вплоть до масштабов одной молекулы.

Этот прорыв способен углубить понимание сложных систем и открыть путь к инфракрасным колебаниям молекул, которые обычно недоступны на уровне одной молекулы. Однако MIRVAL может оказаться полезным не только в чисто научных исследованиях, но и во многих других областях.

Доктор Чиккарадди заключил:

MIRVAL может найти широкое применение, например, в газовом зондировании в реальном времени, медицинской диагностике, астрономических исследованиях и квантовой связи, поскольку теперь мы можем видеть колебательные отпечатки отдельных молекул на частотах MIR. Возможность обнаружения MIR-спектра при комнатной температуре значительно облегчает изучение этих приложений и проведение дальнейших исследований в данной области.

Дальнейшее развитие этого нового метода может не только найти применение в практических устройствах, которые определят будущее MIR-технологий, но и открыть возможность когерентного управления сложным взаимодействием «шариков с пружинками» атомов в молекулярных квантовых системах.

28.08.2023