到目前為止，許多科學(xué)家已經(jīng)使用基于激光的光譜技術(shù)來研究激發(fā)態(tài)。盡管如此，由于其在所謂的衍射方面的局限性，他們無法使用激光來檢查納米級材料。另一方面，應(yīng)用于能夠以原子分辨率觀察物質(zhì)的電子和掃描探針顯微鏡的光譜測量方法仍然不發(fā)達。

來自理化學(xué)研究所、日本科學(xué)技術(shù)振興機構(gòu) (JST)、東京大學(xué)和日本其他研究所的研究人員最近開發(fā)了一種激光納米光譜技術(shù)，可用于檢查單個分子。發(fā)表在Science雜志上的一篇論文中提出的這項技術(shù)可以為各種新技術(shù)的開發(fā)開辟新的可能性，包括發(fā)光二極管 (LED)、光伏和光合電池。

“在原子水平上觀察物質(zhì)并直接研究物質(zhì)的激發(fā)態(tài)性質(zhì)是非常困難的，這一直是能量轉(zhuǎn)換研究的障礙之一，”開展這項研究的研究人員之一 Hiroshi Imada表示。在這項研究中，研究人員將掃描隧道顯微鏡 (STM) 與激光光譜相結(jié)合，以同時實現(xiàn)高空間分辨率和能量分辨率，從而以前所未有的精度揭示分子的本質(zhì)。

Imada 和他的同事開發(fā)的技術(shù)利用激光以由激光能量確定的明確定義的頻率驅(qū)動在 STM 尖端和金屬基板之間的納米級間隙中形成的局部等離子體的電磁場。等離子體場的橫向尺寸直徑約為 2nm，比傳統(tǒng)光學(xué)器件中的最小光斑小兩個數(shù)量級。該場用作納米級單色、可調(diào)和移動激發(fā)源。

“我們研究的關(guān)鍵點是驅(qū)動等離子體的頻率可以通過調(diào)整外部照射的激光來調(diào)整，”Imada 表示?！敖Y(jié)果證明，精確調(diào)諧到分子共振的等離子體場在 STM 觀察下可以非常有效地激發(fā)單個分子，這使我們能夠以微電子伏特能量分辨率進行納米光譜學(xué)?！?/p>

雖然 Imada 和他的同事開發(fā)的技術(shù)基于基本的光譜方法，但它可能會在納米科學(xué)領(lǐng)域開辟新的研究機會。事實上，與傳統(tǒng)的 STM 光譜技術(shù)相比，他們的方法不利用隧道電子，更類似于傳統(tǒng)的激光光譜。

“我們已經(jīng)證明等離子體場可以是具有 1/100 光斑尺寸的納米級激光光斑，”Imada 說，“我們預(yù)計，基于我們的實驗裝置，只要引入新的光源，如短脈沖激光、頻率梳、同步雙脈沖等，就可以實現(xiàn)多種激光光譜學(xué)，并具有極高的空間分辨率。

未來，這組研究人員引入的技術(shù)可以幫助科學(xué)家調(diào)整分子系統(tǒng)的能級，從而幫助解鎖有機材料中專門設(shè)計的能量轉(zhuǎn)換功能。與此同時，研究人員正計劃研究他們技術(shù)的時間分辨版本。

“眾所周知，時間分辨率和能量分辨率之間存在權(quán)衡，但有關(guān)時間尺度和能級的信息對于正確理解激發(fā)態(tài)中發(fā)生的動態(tài)過程都非常重要，”Imada 說， “我們計劃開發(fā)與這里開發(fā)的精確納米光譜兼容的超快納米光譜，以徹底改變對分子系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)換的理解?！?/p>