تجويف اهتزازي صغير يرى ضوء الأشعة تحت الحمراء المتوسطة في درجة حرارة الغرفة - عالم الفيزياء

يمكن لطريقة جديدة ومبسطة "لرؤية" الاهتزازات في الجزيئات أن يكون لها تطبيقات في استشعار الغاز في الوقت الحقيقي، والتصوير الطبي، والمسوحات الفلكية، وحتى الحوسبة الكمومية. تحدث هذه الاهتزازات الجزيئية في نطاق الأشعة تحت الحمراء المتوسطة (MIR) من الطيف الكهرومغناطيسي، وتتطلب الطريقة القياسية لمراقبتها تبريد الكواشف لتقليل الضوضاء الحرارية الناتجة عن الاهتزازات العشوائية عالية التردد للروابط الذرية. ومع ذلك، فقد وجد فريق من الباحثين من جامعتي برمنغهام وكامبريدج بالمملكة المتحدة طريقة للتغلب على هذا المطلب عن طريق تحويل فوتونات MIR منخفضة الطاقة إلى فوتونات مرئية عالية الطاقة.

"إن قدرتنا الجديدة على رؤية الاهتزازات في الجزيئات الفردية في درجة حرارة الغرفة، والتي لم تكن ممكنة من قبل، تبرز، لا سيما وأن مثل هذه الاهتزازات عادة ما تكون محجوبة بالضوضاء الحرارية،" يوضح عالم النانو في كامبريدج. جيريمي بومبرج، الذي قاد الجهود البحثية. وفق روهيت شيكارادي، عالم فيزياء في برمنغهام والمؤلف الأول لكتاب أ طبيعة الضوئيات ورقة بحثية حول هذه التقنية، يمكن للطريقة الجديدة تسليط الضوء على التفاعلات بين الدهون والبروتينات داخل الخلايا، والتي تعتبر محورية لفهم الوظائف الخلوية التي تعتمد على الاهتزازات الجزيئية في نطاق MIR. يقول تشيكارادي: "إن نتائجنا تمهد الطريق لفهم مثل هذه الديناميكيات الجزيئية".

ميرفال

في الطريقة الجديدة، المعروفة باسم التلألؤ بمساعدة الاهتزازات بالأشعة تحت الحمراء المتوسطة (MIRVAL)، قام الباحثون بتجميع الجزيئات التي تبعث الضوء في النطاق المرئي في بنية فوتونية تُعرف باسم التجويف النانوي البلازمي الذي يتردد صداه في كل من النطاق المرئي ونطاق الطول الموجي MIR. يقول تشيكارادي إن هذا التجويف النانوي البلازمي هو مفتاح نجاح هذه الطريقة عالم الفيزياء. "هذه التجاويف الصغيرة جدًا التي تحبس الضوء، والتي تتكون من عيوب ذرة الذهب المفردة على العيوب المعدنية، تسمح لنا بحصر الضوء المرئي في أحجام صغيرة للغاية أقل من 1 نانومتر³ ويوضح أن ضوء MIR يصل إلى مستوى جزيء واحد.

ثم قام الفريق بتصميم هذا التجويف بشكل أكبر بحيث تكون الحالات الاهتزازية للجزيئات (التي تمتص ضوء MIR) وحالاتها الإلكترونية (التي تمتص الضوء المرئي) قادرة على التفاعل. "عندما يتعرض نظامنا للضوء المرئي مع طاقات الفوتون تحت النطاق الإلكتروني لامتصاص الضوء، فإننا لا نرى أي تلألؤ"، كما يشير باومبرج. "ومع ذلك، عندما نقدم ضوء MIR أيضًا، فإن الجمع بين الضوء المرئي وضوء MIR يكون كافيًا لإثارة المفاصل للجزيئات مما يؤدي إلى تلألؤ مرئي."

وبهذه الطريقة، يمكن للباحثين تحويل ضوء MIR منخفض الطاقة إلى ضوء مرئي، مما يسمح لهم باكتشاف ضوء MIR، باستخدام، على سبيل المثال، كاميرات السيليكون المتقدمة مثل تلك الموجودة في الهواتف الذكية.

الجمع بين ثلاثة مقاييس طول مختلفة إلى حد كبير

أحد الجوانب غير العادية لهذه التقنية هو أنها تجمع بين فيزياء ثلاثة مقاييس طول مختلفة في منصة واحدة. يقول تشيكارادي: "هذه هي الأطوال الموجية المرئية (مئات النانومترات)، والاهتزازات الجزيئية (أقل من نانومتر)، ونطاق MIR (عشرة آلاف نانومتر)."

تحويل التردد يجعل ضوء الأشعة تحت الحمراء مرئيًا

ويضيف أنه من الناحية التطبيقية، ينبغي لهذه التقنية أن تسهل تسجيل "بصمات الأصابع" الاهتزازية للجزيئات الفردية عند ترددات MIR. يقول تشيكارادي: "من خلال المزيد من العمل، لم تتمكن هذه الطريقة الجديدة من إيجاد طريقها إلى الأجهزة العملية التي ستشكل مستقبل تقنيات MIR فحسب، بل ستفتح أيضًا القدرة على التعامل بشكل متماسك مع التفاعل المعقد بين الذرات والروابط في الأنظمة الكمومية الجزيئية".

ويقول باحثو برمنغهام-كامبريدج إنهم يرغبون الآن في تطبيق تقنيتهم ​​على أنظمة أكثر تعقيدًا، بما في ذلك الكيانات البيولوجية مثل الأغشية الدهنية. يقول تشيكارادي: "سيسمح لنا هذا بمراقبة الديناميكيات الجزيئية للحياة في هذه النافذة الطيفية الجديدة".

• محتوى مدعوم من تحسين محركات البحث وتوزيع العلاقات العامة. تضخيم اليوم.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. تمكين نفسك. الوصول هنا.
• أفلاطونايستريم. ذكاء Web3. تضخيم المعرفة. الوصول هنا.
• أفلاطون كربون، كلينتك ، الطاقة، بيئة، شمسي، إدارة المخلفات. الوصول هنا.
• أفلاطون هيلث. التكنولوجيا الحيوية وذكاء التجارب السريرية. الوصول هنا.
• المصدر https://physicsworld.com/a/tiny-vibrating-cavity-sees-mid-infrared-light-at-room-temperature/