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纳米“镜廊”室温下实现分子与光混合

发布时间:2019-10-12 18:50:10 编辑:笔名

当一个分子发出闪光,发出的光子就不可能再返回。但据英国剑桥大学网站13日报道,该校研究人员设法把单个分子放在一种微小的光腔里,让它发出的光子返回到分子中,在适当的时候再离开,让能量在光和分子之间来回振荡,形成一种分子和光的量子态强耦合。这一成果有助于开发量子技术,以及能控制物质物理和化学性质的新方法。相关研究发表于英国《自然》杂志。

以往试图混合分子和光的实验非常复杂,通常在极低温度下才能实现。而新方法能在室温下产生这些“半发光”分子。研究人员用金纳米粒子和金原子薄膜围成微小的“廊道”,把亚甲基蓝染料分子放在里面。金原子薄膜就像镜子,围成的直径约1纳米“镜廊”,成为捕获光的光腔。负责这项研究的剑桥大学卡文迪许实验室纳米光子学中心教授杰里米·鲍姆伯格说:“虽然比一根头发还细几十万倍,但对一个分子来说,它就像一个‘镜廊’。”

为了实现分子与光混合,还要让染料分子在‘镜廊’中保持直立姿势。研究论文第一作者罗希特·奇卡拉第说,一般分子会平躺在金膜上,很难让它们“站”起来。他们把染料分子装入一种叫做“瓜环”的桶形分子笼中,使其保持直立后开始实验。最终他们发现,分子散射光谱分裂成两个分离的量子态,这是“混合”的特征标记,光谱间隔反应了光子在不到万亿分之一秒内又返回到分子中。

奇卡拉第说,为了找到这种特征标记,他们花了几个月时间来收集数据。研究的一个关键是证明了对单分子来说,即使在室温条件和金属有很强大光吸收作用的情况下,光与物质强混合仍可能实现。

研究人员指出,分子和光之间这种不同寻常的相互作用,提供了控制物质物理和化学性质的新方法,有助于科学家处理量子信息,理解复杂光合作用过程的工作原理,甚至控制原子之间的化学键。

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可怜的光子跑得倒快,却永远在分子周围打转,就像孙悟空跑不出如来佛的五指山。科学家用黄金做成镜子,使得光路辗转只在方寸之间。人操纵极小空间的办法已经很多,下一步是试着让量子状态在人的控制下叠加和运算,让玩具变成算盘。

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