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太赫茲光譜學進入單分子系統

文章作者:www.utbltn.icu發布時間:2019-12-30瀏覽次數:627

光與物質的相互作用是光譜學的基礎,光譜學是物理學和化學的核心技術。從紅外到X射線,廣泛的波長掃描被用來激發振動、電子躍遷和其他過程來探測原子和分子的世界。

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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頻譜上,太赫茲輻射確實具有正確的頻率(約10^12赫茲)來激發分子振動。不幸的是,它的長波長(數百微米)約為典型分子尺寸的倍,因此傳統光學無法將太赫茲光束聚焦到單個分子上。只有大量的分子才能被研究。

最近,東京大學工業科學研究所(IIS)領導的一個小組找到了解決這個問題的方法。在自然光子學的一項研究中,他們發現THZ輻射能夠探測單個分子的運動,克服了聚焦光束的經典衍射極限。事實上,這種方法足夠靈敏,可以測量單個電子的隧穿效應。

IIS團隊演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,晶體管的源極和漏極,被放置在一個薄硅片上,呈“弓形”。然后,一個單分子在這種情況下,C60,也稱為富勒烯沉積在源極和漏極之間的亞納米間隙中。電極起著天線的作用,將THZ光束聚焦到孤立的富勒烯上。

該研究的第一作者杜少卿解釋說:“Fulleene吸收聚焦的太赫茲輻射并使它們圍繞質心旋轉。” “除了固有電導率外,超快分子振蕩會增加晶體管中的電流。”電流變化可以忽略不計 - 在毫微微安(fA)的數量級上 - 可以使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,可以測量由于僅添加一個電子而導致的吸收峰的輕微分裂。當C60在金屬表面上振蕩時,其振動量子(振動器)可被金屬電極中的電子吸收。如此刺激,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,該研究還展示了獲得僅微弱吸收太赫茲光子的分子的電子和電子信息的實用方法。這開辟了太赫茲光譜學的廣泛應用,太赫茲光譜學是一種與可見光和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。

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