分子振動を検出する新型量子センサーを開発(Engineers create new class of quantum sensors to detect faint molecular vibrations)

2025-08-25 ジョンズ・ホプキンス大学 (JHU)

ジョンズ・ホプキンス大学の研究チームは、分子の「振動」を高感度で検出できる新型量子センサーを開発しました。分子振動は物質を識別する“指紋”ですが、従来の赤外やラマン分光では微弱すぎて捉えにくい課題がありました。本技術は金ミラーで構成された光学キャビティに分子を閉じ込め、光と振動を結合させて「vibro-polaritons」というハイブリッド状態を形成することで信号を増幅します。これにより極低温や真空を必要とせず、室温環境で分子振動を明確に検出可能となりました。応用先としては、血液や唾液、尿に含まれる疾患マーカーの非侵襲検出、製薬プロセスのリアルタイム監視、環境汚染物質の極微量検出などが期待されます。研究成果は Science Advances に掲載されました。

<関連情報>

量子振動ポラリトンセンシング Quantum vibropolaritonic sensing

Peng Zheng, Steve Semancik, and Ishan Barman
Science Advances  Published:15 Aug 2025
DOI:https://doi.org/10.1126/sciadv.ady7670

分子振動を検出する新型量子センサーを開発(Engineers create new class of quantum sensors to detect faint molecular vibrations)

Abstract

Vibrational spectroscopies are pivotal in analytical methods and biomedical diagnostics owing to their singular ability to provide molecular specificity. However, they are intrinsically limited by weak light-matter interactions and vulnerability to intensity fluctuations and spectral interference. Here, we propose a quantum sensing strategy by leveraging hybrid light-matter states under vibrational strong coupling between molecular vibrations and an optical cavity mode. These quantum vibropolaritonic states exhibit characteristic vacuum Rabi splitting, which not only enables manipulation of molecular vibrations but also provides a unique optical transducer. The feasibility of this strategy is established by combining theoretical analysis and numerical simulations. Through fabrication of a microfluidic infrared flow cell, definitive experimental validation of vibropolaritonic sensing is achieved. We believe that this study represents a major advance in harnessing hybrid light-matter states for molecular sensing and offers exciting potential to affect applications in areas including chemical sensing, environmental monitoring, biomedical diagnostics, and bioprocess monitoring.

0110情報・精密機器
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