Single Molecule as a Local Acoustic Detector for Mechanical
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Transcript Single Molecule as a Local Acoustic Detector for Mechanical
Single Molecule as a Local Acoustic
Detector for Mechanical Oscillators
Yuxi Tian,† Pedro Navarro, and Michel Orrit*
Principle
將一個分子放入震動的基質中,分子的電子會受到周圍的基質
影響,當分子與基質的電子雲間產生交互作用,使分子的能位
有些微的改變。
可藉由量測分子的螢光來觀察。
在低溫與特別選定合適的基質的情況下,分子的吸收光譜線的
寬度非常的窄,即不伴隨著聲子的影響,因此稱做 zero-phonon
line (ZPL)。
而在許多好的host-guest系統搭配中,線寬(linewidth)通常約為
10-50MHz。
使ZPL產生位移的因素
機械應變
電場作用
Experiment design
使用有機分子dibenzoterrylene (DBT) 作為偵測器,而anthracene
(Ac) 作為基質。
將DBT嵌入Ac晶體內,為了使將每個DBT分子視為獨立的,須控制
DBT的濃度。
將Ac晶體(200 m)黏在石英音叉上,藉由外加電源來控制音叉的震
動。
外加雷射光來激發單一分子,並觀察分子的螢光
藉由外加電源使音叉達到特定共振頻率,此時因為音叉的振動
使分子與晶體間的距離呈現週期性的改變,也就是說分子的
ZPL會有週期性的變化。
可以得知什麼物理量?
若選一特定的激發雷射頻率,則可藉由量測螢光強度來判斷振
動頻率、振幅。
量測裝置
(1). Wide-field microscopy
(2). Confocal Microscopy (本實驗選用裝置)
Wide-field microscopy
Displacement v.s. Driving Voltage:1.3 (nm/mV)
Confocal Microscopy (量測裝置)
先得到Lock-in signal 與 driving voltage的關係圖再藉由fitting
得出 Displacement 與 Driving Voltage 的關係為:
Bare tuning fork → 1.1nm/mV
Tuning fork with crystal → 0.14 nm/mV
Bare
tuning
fork
Tuning fork
with sample
Frequency
(Hz)
32,709
20,091
Quality
factor
40,000
3,653
Shot noise fluctuations of fluorescence signal (Intensity
change):
I ( )
I It
Shift of the molecular frequency:
(
d
t
( )
d
I
,where
d
)
d
I :fluorescence rate (in this experiment 3300 count/s)
:the minimum deformation value
:the linewidth of molecule(in this experiment 80MHz)
the elastic modulus of crystal E ~ 1010 N / m2 105 bar
the frequency shift induced by pressure change ~1 GHz/bar
d
1014 Hz
d
1
1
=1014 (80 106 )
1.4 108 Hz 2
3300
(實驗得到的值為 7 107
Hz
1
2
)
將其中的差值視為低溫恆溫系統的環境雜訊干擾
Spring constant of tuning
fork
k 10, 000 N/m
1 2
Etf kx 5 1017 J
2
Is much larger than
thermal fluctuation
energy at 1.5K
k BT ~ 1023 J
CONCLUSION
在實驗中因為受限於外在的干擾,因此sensitivity只達到 7 10 Hz
7
若是可以解決干擾的部分,在量測 nanomechanical
oscillator的sensitivity可達到 1 fm/ Hz
在本實驗中,若是以100 m的crystal來量測的話,最小可偵
測到的位移量為1.4 pm/ Hz
若是可以提高瑩光收集的效率,甚至可以量測到100 fm/ Hz
雖然相較於其他量測技術,sensitivity不是非常的出色,但是由
於single molecule的尺寸小於nanometer,因此可以被放置
在elastic strain field中測量nanomechanical oscillators
1
2
Application
可藉由類似的方法去發展出超靈敏的聲學顯微鏡來觀察奈米技術
系統的微小運動。