دانشگاه شهید بهشتی: تلاش برای دستکاری و کنترل تابش مولکول‌های منفرد در مقیاس زمانی بسیار کوتاه

یکی از موضوعات مهم در حوزه‌ی زیست‌شناسی و شیمی، آشکارسازی تک مولکول‌ها است. با مشاهده‌ی مولکول‌های منفرد امکان دستکاری و کنترل فرایندهای زیستی و شیمیایی فراهم می‌شود. علاوه‌بر این، دیدگاهی جدید از ماهیت پیوندهای شیمیایی، برهم‌کنش مولکول‌ها با یکدیگر و یا اثر محیط روی مولکول‌ها نیز امکان‌پذیر می‌شود. اما سیستم‌هایی که قادر به مشاهده‌ی تک مولکول‌ها و دستکاری آن‌ها باشند چندان در دسترس نیستند.محققان این طرح به بررسی روشی پرداخته‌اند که اجازه‌ی 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 نتایج این پژوهش 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 ویژه 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 زیرلایه‌ی خاص استفاده شده است. زیر لایه‌ی طراحی شده شامل چندین لایه است که مهم‌ترین آن‌ها یک فیلم میکرونی از جنس گالیوم است.

فیلم گالیوم امکان تغییر پهنای تراز انرژی مولکول را به روشی برگشت‌ پذیر و تنها در یک بازه‌ی زمانی کوتاه فراهم می‌آورد. پرتودهی فیلم توسط پالس‌های یک لیزر فمتوثانیه باعث گذار فازی آن از حالت جامد به مایع می‌شود، تغییر خواص اپتیکی آن را به همراه دارد. حال اگر مولکول تحریک شده‌ای در نزدیکی نانوساختار طراحی شده قرار داشته باشد، به واسطه‌ی تغییر خواص اپتیکی فیلم گالیوم، طول عمر تراز تحریکی مولکول تغییر خواهد کرد. به عبارت دیگر، بازه‌ی 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 با توجه به موقعیت مولکول نسبت به نانوساختار، تغییرات زمانی پهنای تراز انرژی متفاوت است 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 نسبت به زمان آسان‌تر انجام گیرد. 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 هیئت 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.