红外光谱再获突破！Nature：一个分子的红外光谱，真的测出来了！

米测MeLab

2026-09-02

特别说明：本文由米测技术中心原创撰写，旨在分享相关科研知识。因学识有限，难免有所疏漏和错误，请读者批判性阅读，也恳请大方之家批评指正。

编辑丨风云

研究背景

吸收光谱是探测分子结构最基本、最标准的工具之一，但其信噪比在低信号条件下急剧下降。对单个原子或分子开展吸收光谱测量尤为困难——样品极稀薄、吸收截面小，由光场涨落与量子噪声主导的本底往往淹没微弱信号，长期以来难以在单分子极限下实现可靠的振动分辨探测。

关键问题

目前，单个分子离子的红外吸收光谱探测主要存在以下瓶颈：

1、单光子反冲信号极其微弱

单个光子携带的动量极小，其被分子吸收后引起的运动改变在常规实验参数下几乎不可直接测量；若改用大通量光子累积信号，又需高效低噪声探测器，而此类探测器在红外等宽波段并不可得。

2、缺乏非破坏性探测手段

分子离子之间相互排斥，难以获得致密样品，现有方法多依赖光解离、电荷转移、碎裂等吸收光后的二次效应来间接推断，往往会扰动甚至摧毁分子离子，无法实现量子态的非破坏性读取与制备。

新思路

有鉴于此，奥地利因斯布鲁克大学Philipp Schindler等人报告了对与原子离子共同捕获的单个分子离子中红外振动跃迁的非破坏性吸收光谱分析。单个光子的吸收是通过从吸收光子转移到分子上的动量来检测的。该反冲信号使用双离子晶体的非经典运动状态进行放大，随后由原子离子读出。作者表征了反冲检测方法，并用它来研究飞秒激光脉冲与单个CaOH⁺动力学分子离子中O–H拉伸振动之间的相互作用。此外，作者还展示了获得的具有单光子灵敏度的振动跃迁光谱。该方法可以提供一种对复杂多原子分子进行非破坏性状态检测的方法，用于广泛分子物种量子态的准备和测量。

技术方案：

1、构建了双离子混合晶体与猫态探测系统

将CaOH⁺分子离子与Ca⁺原子离子共囚禁于同一Paul阱，施加双色光场制备运动猫态，使单光子反冲经库仑耦合转移到原子离子，再由量子信息方法映射到其电子态完成读出。

2、建立了猫态光谱探测单光子反冲的方法

设计"猫态生成—光子吸收—猫态反转—读出"序列，利用几何相位的放大效应将微弱反冲转化为可分辨信号，首次在分子离子上实现单光子吸收事件的直接探测。

3、系统表征了猫态光谱的反冲探测性能

通过改变猫态振幅|α|与激光脉冲时序，量化信号随参数的变化，测得原子与运动相干性，验证了探测方案对反冲信号的有效放大与读出保真度。

4、测得单个CaOH⁺的O–H伸缩振动光谱

在3600–4000cm⁻¹扫描中心频率并施加34个激光脉冲，于ν=3703.3(2)cm⁻¹处获得Σ=0.12(1)的有效光子吸收信号，首次呈现单分子振动分辨谱。

技术优势：

1、首次实现了单分子离子的非破坏性探测

巧妙避开了光子透射探测极限，直接通过探测单光子在吸收时转移给分子的极微小动量反冲（等效于纳米级声子激发），在国际上首次实现了对多原子分子的无损吸收光谱测量。

2、具备单光子级振动分辨灵敏度

借助猫态对反冲的放大，在单个 CaOH⁺ 上以单光子灵敏度测得 O–H 伸缩谱，为高精度分子光谱与量子调控提供可行路径。

技术细节

双离子晶体与猫态探测系统

作者以因斯布鲁克离子阱实验平台为基础，将单个CaOH⁺多原子分子离子与Ca⁺原子离子共同囚禁在同一个Paul阱中，构成双离子混合晶体。由于二者通过库仑相互作用耦合，分子离子的外部运动与原子离子的运动共享同一模式，使发生在分子离子上的微小物理过程可以"传递"到原子离子上被读出。为了让极其微弱的单光子反冲可见，研究者没有采用传统透射测量，而是先在探测前用双色光场对离子晶体的运动态进行制备，使其进入一种名为"薛定谔猫态"的非经典运动态。在该态下，运动空间被分裂为两个宏观可区分的成分，任何微小的反冲都会在这两成分的相对相位上产生可被放大的几何相位。作者展示了整个实验系统的示意图，包括共囚禁的双离子、用于制备猫态的激光序列以及最终的原子离子电子态读出通道，为后续单光子吸收探测奠定了物理框架。

图  用于进行分子光谱学的捕获的双离子混合物种晶体的系统的示意图

猫态光谱对单光子吸收反冲的探测

在系统框架之上，设计了专门用于探测单光子吸收反冲的"猫态光谱"序列。整个实验流程由四个步骤构成：首先生成猫态，使离子晶体运动进入非经典叠加；随后用飞秒激光脉冲激发分子离子的O–H伸缩振动，使分子吸收单个光子并产生动量反冲；接着反向执行猫态生成操作，将反冲信息编码回运动的相位中；最后由原子离子读出相位变化。由于猫态对运动位移极度敏感，单个光子带来的微小反冲会被放大为一个清晰的几何相位偏移，从而被原子离子的电子态测量所分辨。序列图清晰展示了从猫态生成、分子跃迁激发、猫态反转到反冲读出的完整时间线，并标出了猫态相位ϕ与反冲敏感性的关系。该方法将"集体多光子反冲"的传统思路推进到单光子极限，是分子离子光谱学的重要突破。

图  探测光子吸收反冲的猫态光谱学

猫态光谱反冲探测的性能表征

为确认探测方案的有效性，系统地表征了猫态光谱对反冲信号的响应。研究者通过改变猫态振幅|α|，测量信号随|α|变化的规律，发现信号强度随猫态非经典度提升而显著增强，但同时受到原子与运动相干性退相干的限制。展示了不同猫态振幅下测得的信号，量化了信号与猫态振幅的关系，并叠加了原子相干（紫色）等标度曲线。进一步的测量通过固定吸收时刻、扫描猫态相位ϕ，得到振荡曲线，其对比度直接反映反冲探测的保真度。还详细讨论了实验不完善因素（如投影噪声、运动退相干）对可达信号的影响，确认在合适的猫态参数下，单光子反冲可以被可靠地区分于本底噪声，为后续光谱测量提供了参数窗口与误差预算。

图  电踢致位移的猫态谱表征

单个 CaOH⁺ 的 O–H 伸缩振动吸收光谱

在上述方法验证基础上，论文对CaOH⁺分子离子的O–H伸缩振动开展了实际光谱测量。基于第一性原理计算，该振动跃迁预测在ν₀=3783cm⁻¹附近且为红外活性，对应约ηₘ≈0.03的小反冲参数；由于分子在环境温度下热化到振动态基态，研究者采用带宽较宽的飞秒脉冲以忽略转动子结构，并通过同步激光脉冲与离子晶体运动频率（设置in-phase运动频率为激光重复频率的整数倍）实现相干动量踢。实验在3600–4000cm⁻¹区间扫描中心频率、施加最多34个脉冲，最终在ν=3703.3(2)cm⁻¹处测得Σ=0.12(1)的有效光子吸收信号，并提取出有效单光子吸收概率。所测谱峰中心与理论值接近、谱宽与模拟吻合，首次在单个多原子分子离子上以单光子灵敏度呈现了振动分辨的吸收光谱。

图  CaOH⁺的O-H伸缩模式的吸收光谱

展望

吸收光谱与量子逻辑光谱的结合，使单个复杂分子离子的非破坏性量子态探测成为可能。该方法可自然拓展至泵浦-探测实验以研究分子内超快动力学，并通过窄线宽脉冲列实现类似频率梳的高精度。未来提升光谱激光强度、实现单脉冲可观激发，并结合同位素与转动态制备，有望将这一工具推向更广泛多原子分子的精密光谱与量子调控，为分子量子科学与技术开辟新的实验维度。

参考文献：

Wu, Z., Duka, T., Isaza-Monsalve, M. et al. Infrared absorption spectroscopy of a single polyatomic molecular ion. Nature (2026). https://doi.org/10.1038/s41586-026-10915-8