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    在纳米尺度上挤压光线:超限光线可以探测有害分子

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      哈佛大学约翰·a·保尔森工程和应用科学学院(SEAS)的研究人员已经开发出一种新技术,将红外光挤进超密闭空间,产生一种强大的纳米级天线,可以用来探测单个生物分子。研究人员利用了极化的力量,这些粒子模糊了光和物质的区别。这种超有限的光可以用来探测极少量的物质靠近极化子。例如,许多有害物质,如甲醛,都有红外信号,这些信号可以被这些天线放大。偏振片的形状和大小也可以调整,为智能红外探测器和生物传感器铺平了道路。这项研究发表在《科学进展》杂志上。

      在纳米尺度上挤压光线:超限光线可以探测有害分子

      纳米圆盘充当微共振器,捕获红外光子并产生极化子。当用红外光照明时,圆盘将光集中在比标准光学材料小数千倍的体积内。在如此高的浓度下,极化子就像水在玻璃中晃动一样,根据入射光的频率改变其振荡。图片:Harvard SEAS

      伯特·l·华莱士应用物理学教授、温顿·海斯电气工程高级研究员费德里科·卡帕索(Federico Capasso)说:这项工作开辟了纳米光子学的一个新领域,通过将光与原子振动耦合,将光集中到比其波长小得多的纳米器件上,这为我们提供了一种探测和操纵分子的新工具。极化子是一种混合的量子力学粒子,由一个光子在二维晶体中与振动的原子强耦合而成。海洋应用物理学博士后研究员、论文的共同第一作者Michele Tamagnone说:我们的目标是利用光和物质之间强烈的相互作用,设计偏振片,将光线聚焦在非常小的空间。研究人员用二维氮化硼晶体制作了纳米圆盘——最小的约50纳米高,200纳米宽。

      这些材料充当微共振器,捕获红外光子并产生极化子。当用红外光照明时,光盘能够将光集中在比标准光学材料(如玻璃)小数千倍的体积内。在如此高的浓度下,研究人员注意到极化子的一些奇怪行为:它们像水在玻璃中晃动一样振动,根据入射光的频率改变它们的振荡。如果把杯子倒过来倒过来,杯子里的水就会朝一个方向摆动,如果你旋转你的杯子,杯子里的水在另一个方向震荡,偏振片以类似的方式振荡,就好像纳米圆盘照亮了杯子和水一样。与传统的光学材料不同,这些氮化硼晶体的大小不受光波长的限制,这意味着杯子的大小没有限制。这些材料也有微小的光损失,这意味着局限在圆盘上的光在安定下来之前会振荡很长一段时间,使内部的光更加强烈。

      研究人员进一步将光线集中在两个圆盘上,并在它们之间的50纳米间隙放置匹配的振荡,从而形成一个红外天线。当光以越来越小的体积聚集时,它的强度就会增加,从而产生强大的光场,可以对附近的粒子施加可测量的力。哈佛大学纳米系统中心的首席科学家Antonio Ambrosio说:这些光诱导的力量也是我们的探测机制之一,观察到这种超封闭的光,它通过一个与悬臂连接的原子尖尖端感应到的。哈佛团队未来的挑战是优化这些光纳米集中器,以达到足够高的强度,以增强与单个分子的相互作用,从而达到可检测的价值。

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