لومینسانس MIR با کمک ارتعاش (MIR Vibrationally-Assisted Luminescence: MIRVAL)

پژوهشگران دانشگاه های بیرمنگام و کمبریج با استفاده از سیستم‌های کوانتومی روش جدیدی را برای تشخیص نور مادون قرمز میانی (MIR) در دمای اتاق توسعه داده‌اند.

این تحقیق که در Nature Photonics منتشر شده است، در آزمایشگاه کاوندیش(Cavendish) در دانشگاه کمبریج انجام شده و نشان دهنده پیشرفت قابل توجهی در توانایی دانشمندان برای به دست آوردن بینش در مورد عملکرد مولکول های شیمیایی و بیولوژیکی است.

این گروه در روشی جدید با استفاده از سیستم‌های کوانتومی، فوتون‌های کم‌انرژی MIR را از طریق گسیل‌کننده‌های مولکولی به فوتون‌های مرئی پرانرژی تبدیل کردند. نوآوری جدید این قابلیت را دارد که به دانشمندان در شناسایی MIR و انجام طیف‌سنجی در سطح تک مولکولی و در دمای اتاق کمک کند.

دکتر روهیت چیکارادی (Rohit Chikkaraddy)، استادیار دانشگاه بیرمنگام و نویسنده اصلی این تحقیق توضیح می دهد: پیوندهایی که فاصله بین اتم ها را در مولکول ها حفظ می کنند، می توانند مانند فنر ارتعاش کنند و این ارتعاشات در فرکانس های بسیار بالا تشدید می شوند. این چشمه ها را می توان با نور ناحیه مادون قرمز میانی برانگیخت که برای چشم انسان نامرئی است.

در دمای اتاق، این فنرها در حرکت تصادفی هستند که به این معنی است که یک چالش بزرگ در تشخیص نور مادون قرمز میانی، اجتناب از این نویز حرارتی است. آشکارسازهای مدرن به دستگاه های نیمه هادی سرد شده متکی هستند که انرژی بر و حجیم هستند، اما تحقیقات ما روشی جدید و هیجان‌انگیز برای تشخیص این نور در دمای اتاق ارائه می‌کند.

رویکرد جدید لومینسانسِ MIR با کمک ارتعاش (MIRVAL) نامیده می‌شود و از مولکول‌هایی استفاده می‌کند که هم قابلیت MIR و هم نور مرئی را دارند. این تیم قادر به جمع آوری تابشگرهای مولکولی در یک حفره پلاسمونیک بسیار کوچک بود که هم در محدوده MIR و هم در محدوده مرئی تشدید می شد. آنها سپس آن را طوری مهندسی کردند که حالت‌های ارتعاشی مولکولی و حالت‌های الکترونیکی بتوانند برهمکنش داشته باشند، که منجر به انتقال کارآمد نور MIR به لومینسانس (تابناکی مرئیluminescence) تقویت‌شده می‌شود.

دکتر چیکارادی ادامه داد: چالش‌ برانگیزترین جنبه، گرد هم آوردن سه مقیاس طول بسیار متفاوت - طول موج مرئی که چند صد نانومتر است، ارتعاشات مولکولی که کمتر از یک نانومتر هستند و طول موج‌های فروسرخ میانی که ده هزار نانومتر هستند. را در یک پلتفرم واحد قرار و ترکیب آنها به طور موثر است.

از طریق ایجاد پیکو حفره‌ ها- حفره‌های فوق‌العاده کوچکی که نور را به دام می‌اندازند و توسط نقص‌های تک اتمی روی وجوه فلزی تشکیل می‌شوند- محققان توانستند به حجم نور شدیدا محدودِ زیر یک نانومتر مکعب دست یابند. این بدان معنی بود که تیم می توانست نور MIR را تا اندازه یک مولکول محدود کند.

این پیشرفت توانایی عمیق‌تر کردن درک سیستم‌های پیچیده را دارد و دریچه ای را به ارتعاشات مولکولی فعالِ مادون قرمز، که معمولاً در سطح تک مولکولی غیرقابل دسترسی هستند، می گشاید. اما MIRVAL می تواند در تعدادی از زمینه ها، فراتر از تحقیقات علمی محض هم مفید باشد.

دکتر چیکارادی نتیجه گیری می کند: MIRVAL می تواند چندین کاربرد مانند حسگری زمان واقعیِ گاز، تشخیص پزشکی، بررسی های نجومی و ارتباطات کوانتومی داشته باشد، زیرا اکنون می توانیم اثر انگشت ارتعاشی مولکول های منفرد را در فرکانس های MIR مشاهده کنیم. توانایی تشخیص MIR در دمای اتاق به این معنی است که کشف این کاربردها و انجام تحقیقات بیشتر در این زمینه بسیار ساده تر است.

با پیشرفت‌های بیشتر، این روش جدید نه تنها می‌تواند راه خود را به سوی دستگاه‌ های عملی که آینده فناوری‌های MIR را شکل می‌دهند بیابد، بلکه توانایی دستکاری منسجم اتم‌های «توپ با فنر» در سیستم‌های کوانتومی مولکولی را نیز فراهم می‌کند.

منبع:

Making the invisible, visible: New method makes mid-infrared light detectable at room temperature