Как "игра на пружинах" привела к новому открытию в квантовой физике

Ученые из Университета Бирмингема и Университета Кембриджа разработали новаторскую технику, позволяющую обнаруживать среднеинфракрасный (MIR) свет при комнатной температуре с использованием квантовых систем. Исследование, опубликованное в Nature Photonics, было проведено в лаборатории Cavendish в Кембридже и представляет собой значительный прогресс в понимании работы химических и биологических молекул.

В новом методе исследовательская группа преобразовала MIR фотоны низкой энергии в фотоны видимого света высокой энергии с использованием молекулярных излучателей. Эта инновация облегчает задачу детектирования MIR на уровне отдельных молекул при комнатной температуре.

Доктор Рохит Чиккарадди, ведущий автор исследования, поделился: «Связи, поддерживающие расстояние между атомами в молекулах, могут колебаться, как пружины, и эти колебания резонируют на очень высоких частотах. Такие пружины могут возбуждаться светом среднеинфракрасного диапазона, невидимым для человеческого глаза. Наш метод представляет новый и увлекательный способ обнаружения этого света при комнатной температуре».

Новая технология называется MIR-вибрационная люминесценция (MIRVAL) и использует молекулы, способные быть одновременно MIR и видимым светом. Команде удалось собрать молекулярные эмиттеры в очень маленькую плазмонную полость, которая имела резонанс как в СИК, так и в видимом диапазонах. Далее они сконструировали его так, чтобы колебательные состояния молекул и электронные состояния могли взаимодействовать, что привело к эффективному преобразованию MIR-света в усиленную видимую люминесценцию.

Доктор Чиккарадди продолжил: «Самым сложным аспектом было объединить три совершенно разных масштаба длины – видимую длину волны, составляющую сотни нанометров, молекулярные вибрации, составляющие менее нанометра, и средние инфракрасные длины волн, составляющие десять тысяч нанометров – в единую платформу и эффективно объединить их».

Благодаря созданию пикоказон, невероятно маленьких полостей, которые улавливают свет и образованы одноатомными дефектами на металлических гранях, исследователи смогли достичь чрезвычайного объема удержания света менее одного кубического нанометра. Это означало, что команда могла ограничить MIR-свет вплоть до масштаба одной молекулы.

Доктор Чиккарадди продолжил: «Самым сложным аспектом было объединить три совершенно разных масштаба длины – видимую длину волны, составляющую сотни нанометров, молекулярные вибрации, составляющие менее нанометра, и средние инфракрасные длины волн, составляющие десять тысяч нанометров – в единую платформу и эффективно объединить их».

Благодаря созданию пикоказон, невероятно маленьких полостей, которые улавливают свет и образованы одноатомными дефектами на металлических гранях, исследователи смогли достичь чрезвычайного объема удержания света менее одного кубического нанометра. Это означало, что команда могла ограничить MIR-свет вплоть до масштаба одной молекулы.

Этот прорыв расширяет понимание сложных систем и может применяться в различных областях, включая газовые датчики, медицинскую диагностику, астрономические исследования и квантовую коммуникацию.