室温单分子光场的光子统计特性-山西大学激光光谱研究所.PDF

维普资讯 山西大学学报 (自然科学版)30(2)：188～192，2007 JournalofShanxiUniversity(Nat．Sci．Ed．) 文章编号 ：0253—2395(2007)02—0188—05 室温单分子光场的光子统计特性 肖连 团，贾锁堂 (量子光学与光量子器件国家重点实验室，山西大学 物理电子工程学院，山西 太原 030006) 摘 要 ：介绍了三能级结构室温单分子光学探测的工作原理 ，利用Hanbury—Brown—Twiss探测方法研究通过记录 两个单光子探测器响应的单分子光场的每一个事件，分析单事件的光子统计概率P(n，一0、1、2)与Mandel参数． 研 究利用单事件光子统计直接测量单分子光子源的信号背景比和快速判断单分子． 关键词：单分子；单事件~Mandel参数；光子统计 中图分类号 ：O561 文献标识码 ：A 早在量子力学建立的初期 ，理查德 ·费曼 (RichardP．Feynman，由于对现代量子电动力学的奠基性贡 献，于 1965年获诺贝尔物理学奖)就设想着能在原子 、分子尺度上观察和操纵物质世界．然而多年 以来 ，人们 对微观世界的观测都是建立在系综平均研究的基础上．通常被采用到系综测量中的许多理论内容和模型不 能够描述单分子光谱．在一个典型的系综实验中，单分子系统 的动力学特性被大量平均 ，测量结果是相关参 数 的平均值．直NA．十年代扫描隧道显微镜_l1(STM)、原子力显微镜[2等的出现 ，单分子科学才得以形成与 发展．单分子光谱不含有任何系综平均，从而产生非常精细的分子动力学性质的信息．在最近十年来，单分子 的研究由于在物理 、化学及生物学中的广泛应用前景引起了人们的极大兴趣．在应用单分子光谱研究单分子 系统的动力学过程中，发现了许多新颖 的实验现象，包括单分子谱线形 的随机变化 、荧光 间断现象、光子聚束 和反聚束现象等[3]．首先运用共焦光学显微镜实现单分子光学探测的是 1990年Orrit和 Bernard_3在低温 条件下进行的，随后的十余年中出现了很多类似低温(液氮或液氦温度)下进行的单分子实验．由于低温实验 系统结构比较复杂 ，不利于操作 ，而且荧光效率较低 (低于 1 )，所以人们期望能够在室温下进行单分子实 验．Basch4等人在 1992年进行了室温下单分子的研究l4]．他们把单个并五苯分子 (terrylene)单分子植于 P一 三联苯 (p—terpheny1)晶体薄片中，把光子的收集效率提高到 4 ．这种形式的样品结构在室温下具有较高的 光学稳定性，这是因为大气 中的氧气是导致染料分子光漂白的主要因素，把染料分子嵌入到晶格结构中从而 与大气 中的氧气隔离．由于晶体的吸收和散射，他们获得的信号背景 比(SBR)为 5左右．这种较低的信号背 景比会导致对单光子的统计测量接近泊松分布．法 国国家科学中心Cachan高师的Roch研究小组 通过用 聚甲基丙烯 (PMMA)聚合体薄膜代替 p-terphenyl晶体，对 terrylene染料分子荧光光子的收集效率达到 5 ，把信号背景 比提高到 2O．研究发现单terrylene分子荧光的两个非经典特性 ：反聚束效应和光场强度 的 亚泊松分布特性 ，是一种较理想的非经典光源．这种在室温下工作的染料分子的单光子源较其它在低温下工 作的量子点，LED电子空穴隧道等单光子源，无论在制作还是在应用上都具有十分明显的优势． 本文中，我们在分析室温单分子光学探测的工作原理的基础上 ，利用 Hanbury—Brown—Twiss(HBT)_l9 探测方法 ，通过记录两个单光子计数器响应的单分子光场输出的每一个事件 ，分析单事件的光子统计P(， 一0、1、2)与Mandel参数特性． 收稿 日期 ：2007—03—25 基金项 目：国家 自然科学基金 10674086)；973计划(2006CB921】02)；山西省青年学术带头人基金资助项 目 作者简介：肖连团(1967一)，男，山西大同人，教授，博士生导师，主要从事光与原子分子相互作用的研究工作．E—Mail：xlt @SXU．edu．cn．