新型激光纳米光谱技术能量分辨率达到微电子伏

分子中的电子激发可以引起各种能量转换现象，理解和控制激发态分子的动力学过程对发光效应、光伏效应和各种化学动力学等领域具有重要的意义。目前，光谱学已经被广泛用于电子激发态的研究中，但该方法的空间分辨率有限，不能提供有关分子轨道的局部空间分布信息；相反，电子显微镜和扫描探针显微镜可以满足局部空间信息的探测，但这种显微镜的光谱技术还很落后。

为了填补这一探测领域的空白，理化学研究所、日本科学技术振兴机构（JST）、东京大学等研究所的研究人员将窄线宽可调谐激光器与扫描隧道显微镜（STM）相结合，开发了一种新型激光纳米光谱技术，该技术可以对单个分子的电子和振动量子态的能级与线宽进行测量，为新型LED、光伏和光合作用电池等新技术的发展开辟了新的可能性。其相关内容已发表在Science中。

传统电致发光隧道电流(STM-EL)光谱测量方法与新型光谱测量方法（STM-PL）对比示意图

（DOI：10.1126/science.abg8790）

论文的作者之一Imada表示利用一个确定频率的外部激光源可以在STM尖端和金属基板之间的纳米级间隙中形成的局部等离子体的电磁场，该等离子体场的横向尺寸直径约为2 nm，比传统光学器件中的最小光斑还要小两个数量级，可用作纳米级单色、可调和移动的激发源。该研究的另一个关键点是等离子体场源的频率可以通过改变外部激光源的波长来进行调整，从而可以利用等离子体场完成单个分子的激发，以实现微电子伏特能量分辨率的光谱测量。

通过实验证明，该等离子体场可以产生1/100光斑尺寸的纳米级激光光斑，可以在空间和能量上同时满足超高分辨率的要求，此外，这组研究人员正计划研究该技术的高时间分辨率版本。

Imada还表示，基于这一装置，仅通过改变光源便可应用于具有极高空间分辨率的多种激光光谱学，例如短脉冲激光、频率梳、同步双脉冲等。虽然该技术的基础是基本的光谱探测，但该技术可能会在纳米科学领域中开辟新的研究方向。

来源：phys.org、光电汇