導讀：
據悉，當分子被激發時，它們會產生多種能量轉換現象，如發光和光電或光化學轉換。為了在有機材料中解鎖新的能量轉換功能，研究人員應該能夠了解材料激發態的性質并控制它。
到目前為止，許多科學家已經使用基于激光的光譜技術來研究激發態。盡管如此，由于其在所謂的衍射方面的局限性，他們無法使用激光來檢查納米級材料。另一方面，應用于能夠以原子分辨率觀察物質的電子和掃描探針顯微鏡的光譜測量方法仍然不發達。
來自理化學研究所、日本科學技術振興機構 (JST)、東京大學和日本其他研究所的研究人員最近開發了一種激光納米光譜技術，可用于檢查單個分子。發表在Science雜志上的一篇論文中提出的這項技術可以為各種新技術的開發開辟新的可能性，包括發光二極管 (LED)、光伏和光合電池。
“在原子水平上觀察物質并直接研究物質的激發態性質是非常困難的，這一直是能量轉換研究的障礙之一，”開展這項研究的研究人員之一 Hiroshi Imada表示。在這項研究中，研究人員將掃描隧道顯微鏡 (STM) 與激光光譜相結合，以同時實現高空間分辨率和能量分辨率，從而以前所未有的精度揭示分子的本質。
Imada 和他的同事開發的技術利用激光以由激光能量確定的明確定義的頻率驅動在 STM 尖端和金屬基板之間的納米級間隙中形成的局部等離子體的電磁場。等離子體場的橫向尺寸直徑約為 2nm，比傳統光學器件中的最小光斑小兩個數量級。該場用作納米級單色、可調和移動激發源。
“我們研究的關鍵點是驅動等離子體的頻率可以通過調整外部照射的激光來調整，”Imada 表示。“結果證明，精確調諧到分子共振的等離子體場在 STM 觀察下可以非常有效地激發單個分子，這使我們能夠以微電子伏特能量分辨率進行納米光譜學。”
雖然 Imada 和他的同事開發的技術基于基本的光譜方法，但它可能會在納米科學領域開辟新的研究機會。事實上，與傳統的 STM 光譜技術相比，他們的方法不利用隧道電子，更類似于傳統的激光光譜。
“我們已經證明等離子體場可以是具有 1/100 光斑尺寸的納米級激光光斑，”Imada 說，“我們預計，基于我們的實驗裝置，只要引入新的光源，如短脈沖激光、頻率梳、同步雙脈沖等，就可以實現多種激光光譜學，并具有極高的空間分辨率。
未來，這組研究人員引入的技術可以幫助科學家調整分子系統的能級，從而幫助解鎖有機材料中專門設計的能量轉換功能。與此同時，研究人員正計劃研究他們技術的時間分辨版本。
“眾所周知，時間分辨率和能量分辨率之間存在權衡，但有關時間尺度和能級的信息對于正確理解激發態中發生的動態過程都非常重要，”Imada 說， “我們計劃開發與這里開發的精確納米光譜兼容的超快納米光譜，以徹底改變對分子系統能量轉換的理解。”
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