伯明翰大学和剑桥大学的科学家开发了一种使用量子系统在室温下检测中红外(MIR)光的新方法。

这项发表在《自然光子学》杂志上的研究是在剑桥大学卡文迪什实验室进行的，标志着科学家深入了解化学和生物分子工作能力的重大突破。

在使用量子系统的新方法中，该团队使用分子发射器将低能中红外光子转换为高能可见光子。这项新的创新能够帮助科学家在室温下检测中红外并在单分子水平上进行光谱分析。

伯明翰大学助理教授、该研究的主要作者RohitChikkaraddy博士解释说：“维持分子中原子之间距离的键可以像弹簧一样振动，并且这些振动会在非常高的频率下产生共振。这些弹簧可以被人眼看不见的中红外区域光激发。”

“在室温下，这些弹簧处于随机运动，这意味着检测中红外光的一个主要挑战是避免这种热噪声。现代探测器依赖于能源密集型且体积庞大的冷却半导体器件，但我们的研究提出了一种新的方法在室温下检测这种光的令人兴奋的方法。”

这种新方法称为中红外振动辅助发光(MIRVAL)，并使用具有中红外和可见光能力的分子。该团队能够将分子发射器组装成一个非常小的等离子体腔，该腔在中红外和可见光范围内谐振。他们进一步对其进行了设计，使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换为增强的可见光。

Chikkaraddy博士继续说道：“最具挑战性的方面是将三种截然不同的长度尺度结合在一起——数百纳米的可见波长、小于一纳米的分子振动以及一万纳米的中红外波长——整合到一个平台中并将它们有效地结合起来。”

通过创建皮空腔(一种由金属面上的单原子缺陷形成的极其小的空腔，可以捕获光线)，研究人员能够实现一立方纳米以下的极端光限制体积。这意味着该团队可以将中红外光限制在单个分子的范围内。

这一突破能够加深对复杂系统的理解，并为红外活性分子振动打开大门，这在单分子水平上通常是无法实现的。但事实证明，MIRVAL在纯科学研究之外的许多领域都有益。

Chikkaraddy博士总结道：“MIRVAL可以有多种用途，例如实时气体传感、医疗诊断、天文调查和量子通信，因为我们现在可以在MIR频率下看到单个分子的振动指纹。检测MIR的能力在室温下意味着探索这些应用并在该领域进行进一步的研究要容易得多。”

“通过进一步的进步，这种新颖的方法不仅可以进入实际设备，从而塑造MIR技术的未来，而且还可以解锁在分子量子系统中连贯操纵“球与弹簧”原子复杂相互作用的能力。”