محققان دانشگاه بیرمنگام و دانشگاه کمبریج از روشی پیشگامانه رونمایی کرده اند که امکان تشخیص نور مادون قرمز میانی (MIR) را در دمای اتاق با استفاده از سیستم های کوانتومی فراهم می کند.
به گزارش تکناک، این مطالعه که در Nature Photonics منتشر شد، در آزمایشگاه کاوندیش کمبریج انجام شد و نشان دهنده پیشرفت بزرگی در توانایی دانشمندان برای به دست آوردن بینش در مورد عملکرد مولکول های شیمیایی و بیولوژیکی است.
در روش جدید تشخیص نور مادون قرمز با استفاده از سیستم‌های کوانتومی، این تیم فوتون‌های کم‌انرژی MIR را با استفاده از 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، استادیار دانشگاه بیرمنگام و نویسنده اصلی این مطالعه توضیح داد: پیوندهایی که فاصله بین اتم ها را در مولکول ها حفظ می کنند، می توانند مانند فنرها ارتعاش کنند و این ارتعاشات در فرکانس های بسیار بالا طنین انداز می شوند. این فنرها را می توان با نور ناحیه مادون قرمز میانی که برای چشم انسان نامرئی است برانگیخت. در دمای اتاق، این فنرها در حرکت تصادفی هستند. بدین معنی که، این نویزهای حرارتی یک چالش بزرگ در تشخیص نور مادون قرمز میانی به حساب می آید. آشکارسازهای مدرن به دستگاه های نیمه هادی خنک شده متکی هستند که انرژی بر و حجیم هستند، اما تحقیقات ما روشی جدید و هیجان انگیز برای تشخیص این نور در دمای اتاق ارائه می دهد.
رویکرد جدید تشخیص نور مادون قرمز به کمک ارتعاش درخشندگی (MIRVAL) نامیده می‌شود و از مولکول‌هایی استفاده می‌کند که هم قابلیت MIR و هم نور مرئی را دارند. این تیم توانست تابش‌کننده‌های مولکولی را در یک حفره پلاسمونیک بسیار کوچک که هم در محدوده MIR و هم در محدوده مرئی تشدید می‌کرد، جمع‌آوری کند. آنها در ادامه آن را طوری مهندسی کردند که حالت‌های ارتعاشی مولکولی و حالت‌های الکترونیکی بتوانند برهم کنش داشته باشند، که منجر به انتقال کارآمد نور MIR به لومینسانس مرئی تقویت‌شده می‌شود.
دکتر چیکارادی ادامه داد: چالش‌برانگیزترین جنبه این بود که سه مقیاس طول بسیار متفاوت را در کنار هم قرار دهیم. این موارد شامل: طول موج مرئی چند صد نانومتری، ارتعاشات مولکولی کمتر از یک نانومتری و طول موج مادون قرمز میانی ده هزار نانومتری است که باید در یک پلتفرم واحد قرار گیرند و به طور موثر با هم ترکیب شوند.
از طریق ایجاد حفره‌های فوق‌العاده کوچکی که نور را به دام می‌اندازند و توسط نقص‌های تک اتمی روی وجوه فلزی تشکیل می‌شوند محققان توانستند به حجم محدود نور شدید در ابعاد 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 دروازه‌ای را برای ارتعاشات مولکولی فعال مادون قرمز، که معمولاً در سطح تک مولکولی غیرقابل دسترسی هستند، باز می‌کند. اما MIRVAL می تواند در تعدادی از زمینه های، فراتر از تحقیقات علمی محض، مفید باشد.
دکتر چیکارادی نتیجه گرفت: MIRVAL می‌تواند کاربردهای مختلفی مانند سنجش سریع گاز، تشخیص پزشکی، بررسی‌های نجومی و ارتباطات کوانتومی داشته باشد، زیرا اکنون می‌توانیم اثر ارتعاشی مولکول‌های منفرد را در فرکانس‌های MIR ببینیم. 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. از طریق پیشرفت‌های بیشتر، این روش جدید می‌تواند راه خود را به دستگاه‌های عملی بیابد که آینده فناوری‌های MIR را شکل می‌دهند.
