导读：

据悉，当分子被激发时，它们会产生多种能量转换现象，如发光和光电或光化学转换。为了在有机材料中解锁新的能量转换功能，研究人员应该能够了解材料激发态的性质并控制它。

已开发的具有微电子伏特能量分辨率的单分子激光纳米光谱的图示。

研究人员将窄线可调谐激光器与扫描隧道显微镜 (STM) 相结合，以实现 μeV 能量和亚分子空间分辨率，并展示了单个分子单个量子态的精确表征和可视化。

到目前为止，许多科学家已经使用基于激光的光谱技术来研究激发态。尽管如此，由于其在所谓的衍射方面的局限性，他们无法使用激光来检查纳米级材料。另一方面，应用于能够以原子分辨率观察物质的电子和扫描探针显微镜的光谱测量方法仍然不发达。

来自理化学研究所、日本科学技术振兴机构 (JST)、东京大学和日本其他研究所的研究人员最近开发了一种激光纳米光谱技术，可用于检查单个分子。发表在Science杂志上的一篇论文中提出的这项技术可以为各种新技术的开发开辟新的可能性，包括发光二极管 (LED)、光伏和光合电池。

“在原子水平上观察物质并直接研究物质的激发态性质是非常困难的，这一直是能量转换研究的障碍之一，”开展这项研究的研究人员之一 Hiroshi Imada表示。在这项研究中，研究人员将扫描隧道显微镜 (STM) 与激光光谱相结合，以同时实现高空间分辨率和能量分辨率，从而以前所未有的精度揭示分子的本质。

Imada 和他的同事开发的技术利用激光以由激光能量确定的明确定义的频率驱动在 STM 尖端和金属基板之间的纳米级间隙中形成的局部等离子体的电磁场。等离子体场的横向尺寸直径约为 2nm，比传统光学器件中的最小光斑小两个数量级。该场用作纳米级单色、可调和移动激发源。

“我们研究的关键点是驱动等离子体的频率可以通过调整外部照射的激光来调整，”Imada 表示。“结果证明，精确调谐到分子共振的等离子体场在 STM 观察下可以非常有效地激发单个分子，这使我们能够以微电子伏特能量分辨率进行纳米光谱学。”

虽然 Imada 和他的同事开发的技术基于基本的光谱方法，但它可能会在纳米科学领域开辟新的研究机会。事实上，与传统的 STM 光谱技术相比，他们的方法不利用隧道电子，更类似于传统的激光光谱。

“我们已经证明等离子体场可以是具有 1/100 光斑尺寸的纳米级激光光斑，”Imada 说，“我们预计，基于我们的实验装置，只要引入新的光源，如短脉冲激光、频率梳、同步双脉冲等，就可以实现多种激光光谱学，并具有极高的空间分辨率。

未来，这组研究人员引入的技术可以帮助科学家调整分子系统的能级，从而帮助解锁有机材料中专门设计的能量转换功能。与此同时，研究人员正计划研究他们技术的时间分辨版本。

“众所周知，时间分辨率和能量分辨率之间存在权衡，但有关时间尺度和能级的信息对于正确理解激发态中发生的动态过程都非常重要，”Imada 说， “我们计划开发与这里开发的精确纳米光谱兼容的超快纳米光谱，以彻底改变对分子系统能量转换的理解。”