分子中的原子會以特定的振動頻率振動，並吸收和發射與該頻率一致的紅外線。這一原理被應用於紅外線光譜分析，在製藥和化學工業等領域發揮著不可或缺的作用。然而，傳統紅外線光譜儀的光源能量效率較低，而提升紅外光偵檢計的靈敏度通常又需要使用液氮冷卻，因此難以實現小型化和低成本化。
在此背景下，量子糾纏技術的應用使得僅使用可見光光源和偵檢器即可實現紅外線光譜分析的「量子紅外線光譜法」備受關注。但是該方法要求在量子干涉儀內部放置樣品，而如果樣品表面不夠光滑，便無法形成量子幹涉，從而導致測量無法進行。
京都大學竹內繁樹教授（供圖：科學新聞社）
京都大學研究生院工學研究科的栗田寅太郎特定研究員（研究當時）、向井佑助教、田島俊之特定研究員、岡本亮副教授、竹內繁樹教授等組成的研究團隊，與島津製作所的德田勝彥主任研究員的團隊合作，成功研發出了一種基於全反射法的量子紅外線光譜技術，通過將表面不平整的樣品壓緊在棱鏡上進行測量，使得各種類型的樣品均可容易檢測，甚至可以測量以往難以分析的有厚度的樣品。這一成果為開發更便於廣泛使用的小型攜帶型量子紅外線光譜系統奠定了基礎。相關研究成果已發表在期刊《Physical Review Applied》上。
圖1 全反射量子紅外線光譜技術示意圖（供圖：京都大學）
全反射法（ATR法）已被廣泛應用於現有的紅外線光譜分析技術，其優勢在於，隻需將樣品緊貼棱鏡，即可進行簡便測量。並且對於傳統透射法難以測量的高度吸收紅外光的樣品，ATR 也能提供有效的檢測手段。
此次開發的全反射量子紅外線光譜技術（ATR-QIRS），在量子紅外線光譜分析中應用了光在棱鏡表面發生全反射時會從棱鏡表面微量滲出的現象。
圖2 實驗概念圖（供圖：京都大學）
研究團隊使用波長 532 奈米的連續波（CW）雷射激發鈮酸鋰（LiNbO₃）非線性晶體，會產生可見光和紅外光量子組成的量子糾纏光量子對。實驗中，研究人員通過調整激發光在非線性晶體上的入射角，使得可見光子的波長在 700～620 奈米之間變化，而相應的紅外光量子波長則在 2.2～3.8 微米範圍內變化。隨後，研究團隊將紅外光量子、可見光子和激發光分別導入不同的光路，並使紅外光量子入射到氟化鈣棱鏡，使其在棱鏡頂部發生全反射。此過程中，部分光波會滲透至樣品界面，並導致可見光子與紅外光量子的量子糾纏破壞。通過測量可見光子和激發光的變化情況，研究團隊能夠推測紅外光量子的特性。
在實際操作中，研究人員利用量子傅立葉轉換紅外線光譜法（QFTIR）對 ATR-QIRS 技術進行了驗證，並成功測出水樣品在寬光譜範圍內的 OH 振動吸收譜，證明了該技術的可行性。
此次研究首次成功驗證了基於棱鏡——樣品界面滲透光（近場效應）的全反射技術可應用於量子紅外線光譜分析。
竹內教授表示：「我們在前年成立了一個產業聯盟，並已與多家企業就實際應用展開合作。預計到 2028 年度左右，該技術將能夠進入市場。」
原文：《科學新聞》
翻譯：JST客觀日本編輯部
【論文資訊】
期刊：Physical Review Applied
論文：Quantum infrared attenuated total reflection spectroscopy
DOI：doi.org/10.1103/PhysRevApplied.23.014061
