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太赫兹光谱学进入单分子系统

文章作者:www.cs-vaccine.com发布时间:2019-12-30浏览次数:627

光与物质的相互作用是光谱学的基础,光谱学是物理学和化学的核心技术。从红外到X射线,广泛的波长扫描被用来激发振动、电子跃迁和其他过程来探测原子和分子的世界。

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然而,一种较少使用的光形式是太赫兹(THZ)区域。在太阳光和微波之间的电磁频谱上,太赫兹辐射确实具有正确的频率(约10^12赫兹)来激发分子振动。不幸的是,它的长波长(数百微米)约为典型分子尺寸的倍,因此传统光学无法将太赫兹光束聚焦到单个分子上。只有大量的分子才能被研究。

最近,东京大学工业科学研究所(IIS)领导的一个小组找到了解决这个问题的方法。在自然光子学的一项研究中,他们发现THZ辐射能够探测单个分子的运动,克服了聚焦光束的经典衍射极限。事实上,这种方法足够灵敏,可以测量单个电子的隧穿效应。

IIS团队演示了一种称为单分子晶体管的纳米级设计。两个相邻的金属电极,晶体管的源极和漏极,被放置在一个薄硅片上,呈“弓形”。然后,一个单分子在这种情况下,C60,也称为富勒烯沉积在源极和漏极之间的亚纳米间隙中。电极起着天线的作用,将THZ光束聚焦到孤立的富勒烯上。

该研究的第一作者杜少卿解释说:“Fulleene吸收聚焦的太赫兹辐射并使它们围绕质心旋转。” “除了固有电导率外,超快分子振荡会增加晶体管中的电流。”电流变化可以忽略不计 - 在毫微微安(fA)的数量级上 - 可以使用用于捕获分子的相同电极精确测量。以这种方式,绘制了在约0.5和1THz处的两个振动峰。

事实上,测量足够灵敏,可以测量由于仅添加一个电子而导致的吸收峰的轻微分裂。当C60在金属表面上振荡时,其振动量子(振动器)可被金属电极中的电子吸收。如此刺激,电子隧道进入C60分子。得到的带负电的C60分子以比中性C60稍低的频率振动,从而吸收不同频率的THz辐射。

除了提供隧道的一瞥之外,该研究还展示了获得仅微弱吸收太赫兹光子的分子的电子和电子信息的实用方法。这开辟了太赫兹光谱学的广泛应用,太赫兹光谱学是一种与可见光和X射线光谱学互补的欠发达方法,与纳米电子学和量子计算高度相关。