室温での可視赤外線を初達成

ロヒット・チカラディ/バーミンガム大学

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プレスリリースによると、英国のバーミンガム大学とケンブリッジ大学の研究者の共同研究により、量子システムを使用して室温で中赤外（MIR）光を検出する新しい方法の開発につながったという。

中赤外線は、その名前が示すように、赤外線スペクトルの近波長と遠波長の間にあり、可視光線のすぐ外側にあります。 中赤外線スペクトルは、軍事から環境および医療の治療、天体の研究に至るまで、さまざまな用途に役立つため、特に重要性を増しています。

これらのデバイスで使用される検出器は、かさばるだけでなくエネルギーを大量に消費する冷却半導体に依存しています。 室温での中赤外検出を可能にすることで、研究者らはさまざまな分野の研究や実用的なデバイスに新たな道を切り開いた。

科学者が化学分子や生体分子の構造を研究する場合、構成原子間の結合を励起するために中赤外光を使用します。 これにより、結合が高周波で振動します。

科学者たちはこれまで低温でこれを行ってきましたが、これを室温で行うということは、追加の熱雑音につながる結合に見られるランダムな動きも考慮する必要があることを意味します。

熱雑音を避けるために、バーミンガム大学の物理学の助教授、ロヒット・チッカラディ率いる研究チームは、分子エミッターを小さなプラズモニックキャビティに組み立て、中赤外および可視領域で共鳴させた。

MIR振動支援ルミネッセンス（MIRVAL）と呼ばれるこのアプローチには、エミッタの分子振動状態と電子状態が相互作用し、結果的にMIR光が強化された可視ルミネセンスに効率的に変換されるようにエミッタを設計することも含まれます。

ピコキャビティを作成すると、金属内の単一原子欠陥などの最小の光源からの光の捕捉が可能になります。 研究者らはまた、1立方ナノメートル未満の極めて小さな体積に光を閉じ込めることができ、それによって得られるデータの解像度を高めることができた。

「最も困難な点は、3 つの大きく異なる長さのスケール、つまり数百ナノメートルの可視波長、1 ナノメートル未満の分子振動、および 1 万ナノメートルの中赤外波長を 1 つにまとめることでした。単一のプラットフォームを使用し、それらを効果的に組み合わせます」と Chikkaradi 氏はプレスリリースで述べました。

トリアート/イメージ

チームの画期的な成果は、非常に複雑なシステムと赤外線活性分子振動について、これまで達成されたことのない単一分子レベルにまで理解を深めるのに役立ちます。 これは研究者が分子をより良く研究するのに役立ちますが、同時に複数の応用への扉も開きます。

「MIRVALは、MIR周波数で個々の分子の振動指紋を確認できるようになったため、リアルタイムのガスセンシング、医療診断、天文調査、量子通信など、さまざまな用途に使用できる可能性がある」とChikaraddy氏は付け加えた。

室温検出機能も、アプリケーションと現場でのさらなる研究の両方を容易にするのに役立ちます。 将来の進歩は、原子を量子レベルで操作するのに役立つデバイスに導入されるだろうとプレスリリースは述べている。

研究結果は本日、Nature Photonics誌に掲載されました。