太赫兹光谱学进入单分子系统

光与物质的相互作用是光谱学的基础，光谱学是一套位于物理和化学核心的技术。从红外光到X射线，广泛的波长扫描用于激发振动，电子跃迁和其他过程，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波谱上，太赫兹辐射确实具有正确的频率(大约10 ^ 12 Hz)来激发分子振动。不幸的是，它的长波长(数百微米)是典型分子大小的约100,000倍，因此不可能通过传统光学器件将THz光束聚焦到单个分子上。只能研究大量的分子。

最近，由东京大学工业科学研究所(IIS)领导的团队找到了解决这个问题的方法。在Nature Photonics的一项研究中，他们发现THz辐射确实可以检测到单个分子的运动，克服了聚焦光束的经典衍射极限。事实上，该方法足够灵敏，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“蝴蝶结”形状放置在薄硅晶片上。然后，单个分子 - 在这种情况下为C60，又名富勒烯 - 沉积在源极和漏极之间的亚纳米间隙中。电极充当天线，将THz光束紧密地聚焦到隔离的富勒烯上。

研究第一作者杜少青解释说：“富勒烯吸收了聚焦的太赫兹辐射，使它们围绕质心旋转。”“除了固有电导率之外，超快分子振荡会提高晶体管中的电流。”虽然这种电流变化微不足道 - 在毫微微安培(fA)的数量级上 - 它可以用用于捕获分子的相同电极精确测量。以这种方式，绘制了在约0.5和1THz处的两个振动峰。

事实上，测量足够灵敏，可以测量吸收峰的轻微分裂，这是由于只加一个电子所引起的。当C60在金属表面上振荡时，其振动量子(振子)可被金属电极中的电子吸收。因此受到刺激，电子隧道进入C60分子。得到的带负电的C60-分子以比中性C60稍低的频率振动，从而吸收不同频率的THz辐射。

除了提供隧道的一瞥之外，该研究还展示了一种实用的方法，可以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学的广泛应用，这是一种与可见光和X射线光谱学互补的欠发达方法，与纳米电子学和量子计算高度相关。