太赫兹光谱在单分子系统中的应用

光与物质的相互作用是光谱学的基础，光谱学是以物理和化学为核心的一套技术。从红外光到X射线，大范围的波长扫描被用来激发振动、电子跃迁等过程，从而探测原子和分子的世界。

然而，一种较少使用的光形式是太赫兹(THz)区域。在太阳光和微波之间的电磁频谱上，太赫兹辐射确实具有激发分子振动的正确频率(约10 ^ 12hz)。不幸的是，它的长波长(数百微米)大约是典型分子的10万倍，因此传统光学无法将THz光束聚焦在单个分子上。只能研究大量的分子。

最近，由东京大学工业科学研究所(IIS)领导的一个团队找到了解决这一问题的方法。在《自然光子学》的一项研究中，他们发现THz辐射确实可以检测单个分子的运动，克服了聚焦光束的经典衍射极限。事实上，这种方法足够灵敏，可以测量单个电子的隧道效应。

IIS团队展示了一种被称为单分子晶体管的纳米级设计。两个相邻的金属电极，即晶体管的源极和漏极，以“弓”形放置在薄硅片上。然后，在源极和漏极之间的亚纳米间隙中沉积单个分子-在这种情况下是C60，也称为富勒烯。电极充当天线，将THz束紧密地聚焦在孤立的富勒烯上。

这项研究的第一作者杜邵青解释说：“富勒烯吸收聚焦的太赫兹辐射，并使其围绕质心旋转。”"除了本征电导率之外，超快分子振荡会增加晶体管中的电流."虽然这种电流变化微不足道(大约为飞秒量级)，但可以用捕获分子的同一电极精确测量。这样，在大约0.5和1THz处绘制了两个振动峰值。

事实上，测量的灵敏度足以测量吸收峰的轻微分裂，这种分裂是由仅增加一个电子引起的。当C60在金属表面振荡时，其振动量子(振子)可以被金属电极中的电子吸收。因此，当受到刺激时，电子隧穿到C60分子中。由此产生的带负电荷的C60分子的振动频率比中性C60的振动频率稍低，因此吸收不同频率的THz辐射。

除了提供隧道的一瞥，这项研究还展示了一种实用的方法来获得仅微弱吸收太赫兹光子的分子的电子和电子信息。这可以开辟太赫兹光谱的广泛应用，太赫兹光谱是一种与可见光和X射线光谱互补的欠发达方法，与纳米电子学和量子计算高度相关。

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