分子中的原子会以特定的振动频率振动，并吸收和发射与该频率一致的红外线。这一原理被应用于红外光谱分析，在制药和化学工业等领域发挥着不可或缺的作用。然而，传统红外光谱仪的光源能量效率较低，而提升红外光检测器的灵敏度通常又需要使用液氮冷却，因此难以实现小型化和低成本化。
在此背景下，量子纠缠技术的应用使得仅使用可见光光源和检测器即可实现红外光谱分析的“量子红外光谱法”备受关注。但是该方法要求在量子干涉仪内部放置样品，而如果样品表面不够光滑，便无法形成量子干涉，从而导致测量无法进行。
京都大学竹内繁树教授（供图：科学新闻社）
京都大学研究生院工学研究科的栗田寅太郎特定研究员（研究当时）、向井佑助教、田岛俊之特定研究员、冈本亮副教授、竹内繁树教授等组成的研究团队，与岛津制作所的德田胜彦主任研究员的团队合作，成功研发出了一种基于全反射法的量子红外光谱技术，通过将表面不平整的样品压紧在棱镜上进行测量，使得各种类型的样品均可容易检测，甚至可以测量以往难以分析的有厚度的样品。这一成果为开发更便于广泛使用的小型便携式量子红外光谱系统奠定了基础。相关研究成果已发表在期刊《Physical Review Applied》上。
图1 全反射量子红外光谱技术示意图（供图：京都大学）
全反射法（ATR法）已被广泛应用于现有的红外光谱分析技术，其优势在于，只需将样品紧贴棱镜，即可进行简便测量。并且对于传统透射法难以测量的高度吸收红外光的样品，ATR 也能提供有效的检测手段。
此次开发的全反射量子红外光谱技术（ATR-QIRS），在量子红外光谱分析中应用了光在棱镜表面发生全反射时会从棱镜表面微量渗出的现象。
图2 实验概念图（供图：京都大学）
研究团队使用波长 532 纳米的连续波（CW）激光器激发铌酸锂（LiNbO₃）非线性晶体，会产生可见光和红外光子组成的量子纠缠光子对。实验中，研究人员通过调整激发光在非线性晶体上的入射角，使得可见光子的波长在 700～620 纳米之间变化，而相应的红外光子波长则在 2.2～3.8 微米范围内变化。随后，研究团队将红外光子、可见光子和激发光分别导入不同的光路，并使红外光子入射到氟化钙棱镜，使其在棱镜顶部发生全反射。此过程中，部分光波会渗透至样品界面，并导致可见光子与红外光子的量子纠缠破坏。通过测量可见光子和激发光的变化情况，研究团队能够推测红外光子的特性。
在实际操作中，研究人员利用量子傅里叶变换红外光谱法（QFTIR）对 ATR-QIRS 技术进行了验证，并成功测出水样品在宽光谱范围内的 OH 振动吸收谱，证明了该技术的可行性。
此次研究首次成功验证了基于棱镜——样品界面渗透光（近场效应）的全反射技术可应用于量子红外光谱分析。
竹内教授表示：“我们在前年成立了一个产业联盟，并已与多家企业就实际应用展开合作。预计到 2028 年度左右，该技术将能够进入市场。”
原文：《科学新闻》
翻译：JST客观日本编辑部
【论文信息】
期刊：Physical Review Applied
论文：Quantum infrared attenuated total reflection spectroscopy
DOI：doi.org/10.1103/PhysRevApplied.23.014061
