神奇！科學家開發新型分子裝置，可將紅外光變成可見光

光是一種電磁波：它由在空間中傳播的振蕩電場和磁場組成。每個波都以其頻率為特征，頻率是指每秒振蕩的次數，以赫茲(Hz)為單位。人類肉眼可以檢測到400到750萬億赫茲（或太赫茲，THz）之間的頻率，這些頻率定義了可見光譜。手機攝像頭中的光傳感器，可以檢測低至300THz的頻率，而用于通過光纖連接互聯網的檢測器，對大約200THz的頻率敏感。

在較低的頻率下，光所傳輸的能量，不足以觸發我們肉眼以及許多其他傳感器中的光感受器。但是，在100太赫茲以下的頻率，即中紅外和遠紅外光譜中，有豐富的信息。例如，一個表面溫度為20°C的身體會發出高達10太赫茲的紅外光，這可以通過熱成像捕捉。此外，化學和生物物質在中紅外有明顯的吸收帶，這意味著我們可以通過紅外光譜學進行遠程、非破壞性地識別它們，紅外光譜具有無數的應用。

近日，國際科學家小組開發出一種新方法，通過將頻率改變為可見光頻率來檢測紅外光。該設備可以將常見的高靈敏度可見光探測器“視野”擴展到遠紅外線。

變頻并不是一件容易的事。由于能量守恒定律，光的頻率是基本特征，不能通過將光反射到表面或穿過材料而輕易改變。

研究人員通過使用介質，向紅外光添加能量來解決這個問題：微小的振動分子。紅外光被引導到分子，在那里它被轉換成振動能量。同時，更高頻率的激光束撞擊相同的分子，以提供額外的能量，并將振動轉化為可見光。為了促進轉換過程，分子被夾在金屬納米結構之間，金屬納米結構通過將紅外光和激光能量集中在分子上而充當光學天線。

研究人員表示，這個新設備具有許多吸引人的功能。首先，其轉換過程是連貫的，這意味著原始紅外光中存在的所有信息，都能忠實地映射到新創建的可見光上。還可以使用標準探測器（如手機攝像頭中的探測器）進行高分辨率紅外光譜分析。

其次，每個設備的長度和寬度約為幾微米，這意味著它可以合并到大型像素陣列中。最后，該方法具有很強的通用性，可以通過簡單選擇具有不同振動模式的分子來適應不同的頻率。

但是，到目前為止，該設備的光轉換效率仍然很低。研究人員稱現在正在集中精力進一步改進它。

題為Continuous-wave frequency upconversion with a molecular optomechanical nanocavity的相關研究論文發表在《科學》上。

前瞻經濟學人APP資訊組

論文原文：

https://www.science.org/doi/10.1126/science.abk3106

標簽： 分子裝置 紅外光