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 108 Hz 2
3300
(實驗得到的值為 7 107
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 1017 J
2
 Is much larger than
thermal fluctuation
energy at 1.5K
k BT ~ 1023 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。