Interaktionen mellan ljus och materia är grunden för spektroskopi, en uppsättning tekniker som ligger i hjärtat av fysik och kemi. Från infrarött ljus till röntgenstrålar, ett brett svep av våglängder används för att stimulera vibrationer, elektronövergångar, och andra processer, därmed undersöker världen av atomer och molekyler.

Dock, en mindre använd form av ljus är terahertz (THz) regionen. Ligger på det elektromagnetiska spektrumet mellan infrarött och mikrovågor, THz -strålning har rätt frekvens (cirka 10 ¹² Hz) för att excitera molekylära vibrationer. Tyvärr, dess långa våglängd (hundratals mikrometer) är runt 100, 000 gånger en typisk molekylstorlek, vilket gör det omöjligt att fokusera THz -strålar på en enda molekyl med konventionell optik. Endast stora ensembler av molekyler kan studeras.

Nyligen, ett team som leds av University of Tokyos Institute of Industrial Science (IIS) hittade en väg kring detta problem. I en studie i Nature Photonics , de visade att THz -strålning verkligen kan detektera rörelsen hos enskilda molekyler, övervinna den klassiska diffraktionsgränsen för fokusering av ljusstrålar. Faktiskt, metoden var tillräckligt känslig för att mäta tunneln av en enda elektron.

IIS-teamet visade upp en nanoskala-design som kallas en enmolekyltransistor. Två intilliggande metallelektroder, transistorns källa och avlopp, läggs på en tunn kiselskiva i en "bowtie" -form. Sedan, enstaka molekyler - i detta fall C60, aka fulleren-deponeras i sub-nanometerhålen mellan källan och avloppet. Elektroderna fungerar som antenner för att tätt fokusera THz -strålen på de isolerade fullerenerna.

"Fullerenerna absorberar den fokuserade THz -strålningen, att få dem att svänga runt sin massa-massa, "förklarar den första författaren Shaoqing Du." Den ultrasnabba molekylära svängningen höjer den elektriska strömmen i transistorn, ovanpå dess inneboende konduktivitet. "Även om denna nuvarande förändring är liten-i storleksordningen femto-ampere (fA)-kan den mätas exakt med samma elektroder som används för att fånga molekylerna. På detta sätt kan två vibrationstoppar på cirka 0,5 och 1 THz ritades.

Faktiskt, mätningen är tillräckligt känslig för att mäta en liten delning av absorptionstopparna, orsakad av att endast en elektron adderas eller subtraheras. När C60 pendlar på en metallyta, dess vibrationskvant (vibron) kan absorberas av en elektron i metallelektroden. Så stimulerad, elektrontunnlar in i C60 -molekylen. Den resulterande negativt laddade C60 ^- molekyl vibrerar med en något lägre frekvens än neutral C60, absorberar därmed en annan frekvens av THz -strålning.

Förutom att ge en glimt av tunneling, studien visar en praktisk metod för att erhålla elektronisk och vibronisk information om molekyler som endast svagt absorberar THz -fotoner. Detta kan öppna upp den bredare användningen av THz -spektroskopi, en underutvecklad metod som kompletterar synligt ljus och röntgenspektroskopi, och mycket relevant för nanoelektronik och kvantdatorer.