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        太赫茲光譜學進入單分子系統

        發布:opticseditor    |    2019-07-31 14:58    閱讀:505
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        光與物質的相互作用是光譜學的基礎,光譜學是一套位于物理和化學核心的技術。從紅外光到X射線,廣泛的波長掃描用于激發振動,電子躍遷和其他過程,從而探測原子和分子的世界。


        然而,一種較少使用的光形式是太赫茲(THz)區域。在太陽光和微波之間的電磁波譜上,太赫茲輻射確實具有正確的頻率(大約10 ^ 12 Hz)來激發分子振動。不幸的是,它的長波長(數百微米)是典型分子大小的約100,000倍,因此不可能通過傳統光學器件將THz光束聚焦到單個分子上。只能研究大量的分子。

        最近,由東京大學工業科學研究所(IIS)領導的團隊找到了解決這個問題的方法。在Nature Photonics的一項研究中,他們發現THz輻射確實可以檢測到單個分子的運動,克服了聚焦光束的經典衍射極限。事實上,該方法足夠靈敏,可以測量單個電子的隧道效應。

        IIS團隊展示了一種稱為單分子晶體管的納米級設計。兩個相鄰的金屬電極,即晶體管的源極和漏極,以“蝴蝶結”形狀放置在薄硅晶片上。然后,單個分子 - 在這種情況下為C60,又名富勒烯 - 沉積在源極和漏極之間的亞納米間隙中。電極充當天線,將THz光束緊密地聚焦到隔離的富勒烯上。

        研究第一作者杜少青解釋說:“富勒烯吸收了聚焦的太赫茲輻射,使它們圍繞質心旋轉。”“除了固有電導率之外,超快分子振蕩會提高晶體管中的電流。”雖然這種電流變化微不足道 - 在毫微微安培(fA)的數量級上 - 它可以用用于捕獲分子的相同電極精確測量。以這種方式,繪制了在約0.5和1THz處的兩個振動峰。

        事實上,測量足夠靈敏,可以測量吸收峰的輕微分裂,這是由于只加一個電子所引起的。當C60在金屬表面上振蕩時,其振動量子(振子)可被金屬電極中的電子吸收。因此受到刺激,電子隧道進入C60分子。得到的帶負電的C60-分子以比中性C60稍低的頻率振動,從而吸收不同頻率的THz輻射。

        除了提供隧道的一瞥之外,該研究還展示了一種實用的方法,可以獲得僅微弱吸收太赫茲光子的分子的電子和電子信息。這可以開辟太赫茲光譜學的廣泛應用,這是一種與可見光和X射線光譜學互補的欠發達方法,與納米電子學和量子計算高度相關。

        來源:生物幫

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