Terahertz-spektroskopi går ind i enkeltmolekylregimet

Lysets vekselvirkning med stof er grundlaget for spektroskopi, et sæt teknikker, der ligger i hjertet af fysik og kemi. Fra infrarødt lys til røntgenstråler, en bred vifte af bølgelængder bruges til at stimulere vibrationer, elektronovergange, og andre processer, derved undersøger verden af ​​atomer og molekyler.

Imidlertid, en mindre anvendt form for lys er terahertz (THz) regionen. Liggende på det elektromagnetiske spektrum mellem infrarød og mikrobølger, THz -stråling har den rigtige frekvens (omkring 10 ¹² Hz) for at ophidse molekylære vibrationer. Desværre, dens lange bølgelængde (hundredvis af mikrometer) er omkring 100, 000 gange en typisk molekylær størrelse, gør det umuligt at fokusere THz -stråler på et enkelt molekyle ved hjælp af konventionel optik. Kun store ensembler af molekyler kan studeres.

For nylig, et team ledet af University of Tokyos Institute of Industrial Science (IIS) fandt en vej udenom dette problem. I en undersøgelse i Natur fotonik , de viste, at THz -stråling faktisk kan registrere bevægelsen af ​​individuelle molekyler, overvinde den klassiske diffraktionsgrænse for fokusering af lysstråler. Faktisk, metoden var følsom nok til at måle tunnelleringen af ​​en enkelt elektron.

IIS-teamet fremviste et nanoskala-design kendt som en enkeltmolekylær transistor. To tilstødende metalelektroder, transistorens kilde og afløb, placeres på en tynd siliciumskive i en "bowtie" -form. Derefter, enkelte molekyler - i dette tilfælde C60, aka fulleren-deponeres i sub-nanometer-hullerne mellem kilden og afløbet. Elektroderne fungerer som antenner til tæt at fokusere THz -strålen på de isolerede fullerener.

"Fullerenerne absorberer den fokuserede THz -stråling, får dem til at svinge omkring deres masse-center, "forklarer undersøgelsen, første forfatter Shaoqing Du." Den ultrahurtige molekylære svingning øger den elektriske strøm i transistoren, oven på dens iboende ledningsevne. "Selvom denne aktuelle ændring er lille-i størrelsesordenen femto-ampere (fA)-kan den måles præcist med de samme elektroder, der bruges til at fange molekylerne. På denne måde kan to vibrationstoppe på omkring 0,5 og 1 THz blev afbildet.

Faktisk, målingen er følsom nok til at måle en let opdeling af absorptionstoppene, forårsaget af tilføjelse eller subtraktion af kun én elektron. Når C60 svinger på en metaloverflade, dens vibrationskvantum (vibron) kan absorberes af en elektron i metalelektroden. Således stimuleret, elektronetunnelerne ind i C60 -molekylet. Den resulterende negativt ladede C60 ^- molekyle vibrerer med en lidt lavere frekvens end neutral C60, absorberer således en anden frekvens af THz -stråling.

Bortset fra at give et glimt af tunneling, undersøgelsen viser en praktisk metode til at indhente elektronisk og vibronic information om molekyler, der kun svagt absorberer THz -fotoner. Dette kan åbne op for den bredere anvendelse af THz -spektroskopi, en underudviklet metode, der supplerer synligt lys og røntgenspektroskopi, og meget relevant for nanoelektronik og kvanteberegning.