تلاش پژوهشگران ایرانی برای کنترل تابش مولکول‌های منفرد در مقیاس زمانی بسیار کوتاه

محققان دانشگاه شهید بهشتی با استفاده از روشی محاسباتی به بررسی امکان دستکاری و کنترل زمانی تابش تک مولکول‌ها پرداخته‌اند. نتایج این طرح پیشبردی در راستای طراحی ابزارهای جدید برای آشکارسازی چنین سیستم‌های کوانتومی خواهد بود.

کد خبر: ۱۱۷۵۶۶۶

تاریخ: ۰۳ خرداد ۱۳۹۳ - ۱۰:۴۴

به گزارش گروه دانش خبرگزاری دانا (دانا خبر) یکی از موضوعات مهم در حوزه زیست‌شناسی و شیمی، آشکارسازی تک مولکول‌ها است. با مشاهده مولکول‌های منفرد امکان دستکاری و کنترل فرایندهای زیستی و شیمیایی فراهم می‌شود. علاوه‌بر این، دیدی جدید از ماهیت پیوندهای شیمیایی، برهم‌کنش مولکول‌ها با یکدیگر و یا اثر محیط روی مولکول‌ها نیز امکان‌پذیر می‌شود. اما سیستم‌هایی که قادر به مشاهده تک مولکول‌ها و دستکاری آن‌ها باشند معمولا در دسترس نیستند.محققان این طرح به بررسی روشی پرداخته‌اند که اجازه دستکاری خواص کوانتومی تک مولکول‌ها را می‌دهد. هدف آن‌ها بررسی تغییر قابل کنترل پهنای تراز انرژی مولکول‌ها در مقیاس زمانی بسیار کوتاه بوده است. به کمک این نتایج می‌توان علاوه بر دستکاری، بسته به نحوه تغییر پهنای تراز انرژی با زمان، موقعیت مولکول را بدون استفاده از ابزارهای دقیق و گران قیمت تعیین نمود. همچنین از نتایج این طرح می‌توان در ساخت حسگرها نیز بهره گرفت.

به گفته دکتر نفیسه زوارئیان، فارغ التحصیل فیزیک اتمی از دانشگاه شهید بهشتی، پهنای ترازهای انرژی سیستم‌های کوانتومی نه تنها به تابع موج آن‌ها بستگی دارد، بلکه به محیط اطراف آن‌ها نیز وابسته است. اگرچه تا به حال بررسی‌های زیادی بر روی تغییر پهنای تراز انرژی با استفاده از ساختارهای متنوع به خصوص نانوساختارهای پلاسمونیکی صورت گرفته است، اما هیچ یک قابلیت کنترل زمانی تغییرات این پهنا را فراهم نمی‌آورند. برای دستیابی به چنین قابلیتی، در این محاسبات از یک نانوآنتن فلزی روی یک زیرلایه خاص استفاده شده است. زیر لایه طراحی شده شامل چندین لایه است که مهم‌ترین آن یک فیلم میکرونی از جنس گالیوم است.

حضور فیلم گالیوم امکان تغییر پهنای تراز انرژی مولکول را به روشی برگشت‌پذیر و تنها در یک بازه زمانی کوتاه فراهم می‌آورد. پرتودهی فیلم توسط پالس‌های یک لیزر فمتوثانیه باعث گذار فازی آن از حالت جامد به مایع شده، تغییر خواص اپتیکی آن را به همراه دارد. حال اگر مولکول تحریک شده‌ای در نزدیکی نانوساختار طراحی شده قرار داشته باشد، به واسطه تغییر خواص اپتیکی فیلم گالیوم، طول عمر تراز تحریکی مولکول تغییر خواهد کرد. به عبارت دیگر، بازه زمانی که الکترون در تراز تحریکی باقی می‌ماند نسبت به حالت اولیه ( قبل از پرتودهی با پالس لیزری) متفاوت می‌شود.

نتایج این کار نشان می‌دهد که بسته به موقعیت مولکول نسبت به نانوساختار تغییرات زمانی پهنای تراز انرژی متفاوت بوده و در نتیجه می‌توان از این میزان تفاوت در تعیین موقعیت مولکول استفاده نمود. استفاده از نانوآنتن برای افزایش میزان تغییرات پهنای تراز انرژی مولکول است تا آشکارسازی این تغییرات با زمان آسان‌تر انجام شود. لازم به ذکر است که تغییرات زمانی پهنای تراز علاوه‌ بر موقعیت مولکول نسبت به نانوساختار، به طول موج گسیل مولکول مورد بررسی، و ویژگی‌های نانوساختار نیز وابسته است. از این‌رو برای دستیابی به بهترین نتایج، این پارامترها نیز بهینه شده‌اند. نتایج این محاسبات برای دستکاری ترازهای انرژی سایر سیستم‌های کوانتومی از جمله اتم‌ها و نقاط کوانتومی نیز قابل استفاده خواهد بود.

نتایج این تحقیقات که حاصل تلاش‌های دکتر نفیسه زوارئیان و دکتر رضا مسعودی-عضو هیات علمی دانشگاه شهید بهشتی- است در مجله Laser Physics Letters ( جلد 11، شماره 4، ماه فوریه، سال 2014، صفحات  1 تا 7) به چاپ رسیده است.