חלל רוטט זעיר רואה אור אינפרא אדום בינוני בטמפרטורת החדר - עולם הפיזיקה

שיטה חדשה ויעילה ל"ראיית" רעידות במולקולות יכולה להיות בעלת יישומים בחיישת גז בזמן אמת, הדמיה רפואית, סקרים אסטרונומיים ואפילו מחשוב קוונטי. רעידות מולקולריות אלו מתרחשות בטווח האינפרא אדום האמצעי (MIR) של הספקטרום האלקטרומגנטי, והדרך הסטנדרטית לצפייה בהן מחייבת קירור גלאים כדי למזער רעש תרמי עקב רעידות אקראיות בתדר גבוה של קשרים אטומיים. עם זאת, צוות חוקרים מאוניברסיטאות ברמינגהאם וקיימברידג', בריטניה מצא כעת דרך לעקוף את הדרישה הזו על ידי המרת פוטוני MIR בעלי אנרגיה נמוכה לפוטונים גלויים בעלי אנרגיה גבוהה.

"היכולת החדשה שלנו לראות תנודות במולקולות בודדות בטמפרטורת החדר, שלא הייתה אפשרית קודם לכן, בולטת, במיוחד מכיוון שרטטות כאלה מוסתרות בדרך כלל על ידי רעש תרמי", מסביר מדען הננו מקיימברידג' ג'רמי באומברג, שהוביל את מאמץ המחקר. לפי רוהיט צ'יקראדי, פיזיקאי בברמינגהם והמחבר הראשון של א Nature Photonics במאמר על הטכנולוגיה, השיטה החדשה יכולה לשפוך אור על אינטראקציות בין שומנים וחלבונים בתוך תאים, שהם חיוניים להבנת תפקודים תאיים התלויים בתנודות מולקולריות בטווח MIR. "התוצאות שלנו סוללות את הדרך להבנת דינמיקה מולקולרית כזו", אומר צ'יקראדי.

MIRVAL

בשיטה החדשה, הידועה בשם Mid-Infrared Vibrationally-Assisted Luminescence (MIRVAL), הרכיבו החוקרים מולקולות הפולטות אור בטווח הנראה למבנה פוטוני המכונה חלל ננו-פלסמוני המהדהד הן בטווחי אורך הגל הנראה והן בטווחי MIR. חלל ננו-פלסמוני זה הוא המפתח להצלחת השיטה, אומר צ'יקראדי עולם הפיזיקה. "חללי לכידת אור אולטרה קטנים אלה, שנוצרו על ידי פגמים של אטום זהב בודד על פגמים מתכתיים, מאפשרים לנו להגביל את האור הנראה לנפחים קטנים במיוחד של פחות מ-1 ננומטר.³ ואור MIR עד לקנה המידה של מולקולה בודדת", הוא מסביר.

לאחר מכן, הצוות הנדס את החלל הזה כך שמצבי הרטט של המולקולות (הקולטות אור MIR) והמצבים האלקטרוניים שלהן (הקולטים אור נראה) היו מסוגלים לקיים אינטראקציה. "כאשר המערכת שלנו נחשפת לאור נראה עם אנרגיות פוטון מתחת לפס האלקטרוני של ספיגת האור, אנחנו לא רואים שום זוהר", מציין באומברג. "עם זאת, כאשר אנו מציגים גם אור MIR, השילוב של אור גלוי ו-MIR מספיק להתרחשות עירור משותפת של המולקולות אשר מביאה להארה גלויה."

בדרך זו, החוקרים יכולים להמיר את אור ה-MIR בעל האנרגיה הנמוכה לאור נראה, ולאפשר להם לזהות את אור ה-MIR, באמצעות, למשל, מצלמות סיליקון מתקדמות כמו אלו שנמצאות בסמארטפונים.

חיבור שלושה סולמות אורך שונים בתכלית

היבט יוצא דופן אחד של הטכניקה הוא שהיא משלבת את הפיזיקה של שלושה סולמות אורך שונים בפלטפורמה אחת. "אלה הם אורכי גל גלויים (של מאות ננומטרים), רעידות מולקולריות (פחות מננומטר) וטווח MIR (עשרת אלפים ננומטר)", אומר צ'יקראדי.

המרת תדר מעלה הופכת אור אינפרא אדום לנראה

במונחי יישומים, הטכניקה אמורה להקל על רישום "טביעות האצבע" הרטט של מולקולות בודדות בתדרי MIR, הוא מוסיף. "באמצעות עבודה נוספת השיטה החדשנית הזו לא רק יכלה למצוא את דרכה למכשירים מעשיים שיעצבו את עתיד טכנולוגיות MIR אלא גם לפתוח את היכולת לתמרן באופן קוהרנטי את המשחק המורכב של אטומים וקשרים במערכות קוונטיות מולקולריות", אומר צ'יקראדי.

חוקרי בירמינגהם-קיימברידג' אומרים שהם רוצים כעת ליישם את הטכניקה שלהם על מערכות מורכבות יותר, כולל ישויות ביולוגיות כמו ממברנות שומנים. "זה יאפשר לנו לצפות בדינמיקה המולקולרית של החיים בחלון הספקטרוסקופי החדש הזה", אומר צ'יקראדי.

• הפצת תוכן ויחסי ציבור מופעל על ידי SEO. קבל הגברה היום.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. העצים את עצמך. גישה כאן.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. הידע מוגבר. גישה כאן.
• PlatoESG. פחמן, קלינטק, אנרגיה, סביבה, שמש, ניהול פסולת. גישה כאן.
• PlatoHealth. מודיעין ביוטכנולוגיה וניסויים קליניים. גישה כאן.
• מקור: https://physicsworld.com/a/tiny-vibrating-cavity-sees-mid-infrared-light-at-room-temperature/