太赫兹光谱学的新突破 检测单分子的运动

研究人员表明，长波太赫兹（THz）光谱不仅仅可以检测分子集合的运动，还可以检测单个分子的运动。他们使用单分子晶体管，此结构中成对的金属电极捕捉孤立的C60分子，将THz光束聚焦在分子表面，并测量由THz振荡引起的电流变化。记录两个振动峰值。这种测量方式非常灵敏，可记录由电子充电引起的轻微分裂峰值。这项研究对太赫兹光谱的广泛使用具有重要意义。

图片来源：东京大学工业科学研究所2018年Kazuhiko Hirakawa

这是具有蝴蝶结天线结构的单分子晶体管（SMT）的示意图。S、D和G分别表示SMT的源极、漏极和栅极。其创建的单分子晶体管纳米间隙可以捕获单个分子。

光谱学是一门以物理和化学为核心，以光与物质的相互作用为基础的技术。从红外光到X射线，广泛的波长被用于激烈的振动，电子跃迁和其他过程，从而探测原子和分子的世界。

然而，太赫兹（THz）区域是一种较少使用的光形式。在太阳光和微波之间的电磁波谱上，太赫兹辐射具有适宜的频率（大约10 ^ 12 Hz）来激发分子振动。然而，它的长波长（数百微米）是分子尺寸，约100000倍分子大小，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，只能研究大量分子的集合体。

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（在这种情况下通常为C60，又称富勒烯）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。

“富勒烯吸收聚焦的太赫兹辐射，使它们围绕质心振荡，”该研究的第一作者杜少青（音）解释道。“除了固有电导率外，超快分子振荡也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 - 但相同电极可以用于捕获分子进而实现精确测量。以这种方式，绘制了在约0.5和1THz处的两个振动峰。

事实上，当测量方式足够灵敏时，可以测量由一个电子引起的吸收峰的轻微分裂。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。因此受到激发，电子隧穿进入C60分子。由此产生了带负电的C60分子比中性C60略低频率的振动，从而吸收不同频率的太赫兹辐射。

除了提供隧道之外，该研究还展示了一种实用的方法，可以获得微弱吸收太赫兹光子分子的电子和电子的振动信息。这开辟了太赫兹光谱学的广泛应用，这是一种与可见光和X射线光谱学互补的有待研究的方法，与纳米电子学和量子计算高度相关。