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    化学好学吗?将光引入量子领域,光纤探针可以看到分子键

    化学好学吗?光纤探针可以看到分子键!在《复仇者联盟3》中,托尼·斯塔克警告斯科特·朗,把他送进量子领域,再把他带回来,将是“十万分之一的宇宙侥幸”。实际上,将光束缩小到一个纳米大小的点来监视量子尺度光与物质的相互作用并获取信息并不容易。现在,加州大学河滨分校工程师们已经开发出一种新技术,可以以前所未有的效率将光引入量子领域。

    化学好学吗?将光引入量子领域,光纤探针可以看到分子键

    发表在《自然·光子学》上的研究中,由化学与环境工程助理教授严如雪(音译)和电子与计算机工程助理教授刘明(音译)领导的一个团队描述了世界上第一个便携式、廉价的光学纳米镜工具,该工具集成了玻璃光纤和银纳米线聚光镜。该设备是一个高效的双向光隧道,将可见光挤压到聚光器的最顶端,与局部分子相互作用,并发回信息,这些信息可以解读和可视化这个难以捉摸的纳米世界。显微镜放大物体细节的能力受到光的波长限制,如果你曾经在科学课上使用光学显微镜。

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    你可能会学到,一个物体只能被放大2000倍,然后所有的东西都变得模糊。这是因为无论你的显微镜有多先进,都不可能分辨出比光波长一半还细的特征——远场可见光的波长只有几百纳米。与远场波不同,近场波只存在于离光源很近的地方,不受这一规律的控制。但它们不是自愿旅行的,很难利用或观察。自20世纪20年代以来,科学家们一直认为,让光通过金属薄膜上的小孔会产生近场波,这些波可以转换成可探测到的光,但第一个成功的原型直到半个世纪后才制造出来。

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    • (博科园-图示)这个可视化动画显示了光纤入纤-出纤过程用于光谱学测量。图片:Liu Group/UCR

    诺贝尔化学奖得主埃里克贝齐格(Eric Betzig)在成像性能和可靠性方面对早期原型做出了重大改进。从那时起,近场扫描光学显微镜,即众所周知的技术,被用来揭示许多化学、生物和材料系统的纳米级细节。不幸的是,又过了将近半个世纪,这种技术仍然很深奥,很少有人使用。通过一个比人类一根头发直径小1000倍的针孔发出光可不是件容易的事。只有百万分之一的光子或光粒子能通过针孔到达你想看到的物体。买一张单程票已经很有挑战性了,一张能带回有意义信号的往返机票几乎是白日做梦。

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    科学家们已经做出了不懈的努力来提高这个机会,虽然目前最先进的探测器只能让1000个光子中的一个到达目标,但加州大学河滨分校的设备却能将一半的光子送到目标尖端。设计的关键是两步连续聚焦过程,在第一步中,当远场光沿着逐渐变薄的光纤传播时,其波长在不改变频率的情况下缓慢增加。当它与位于光纤顶部的银纳米线中电子密度波的波长相匹配时,嘭!所有的能量都转移到电子密度波上,并开始在纳米线的表面移动,在聚焦过程的第二步中,波在尖端逐渐凝聚成几纳米。

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    进行这项研究的博士生桑贡金(Sanggon Kim)解释说:加州大学河滨分校(UC Riverside)这个装置是一根小小的银针,尖端有光,有点像哈利波特(Harry Potter)的魔杖,能照亮一小块区域。金姆利用该设备绘制出分子振动的频率,从而可以分析分子中原子间的化学键。这就是所谓的尖端增强拉曼光谱成像。近场光学显微镜是最具挑战性的分支,因为它处理非常微弱的信号。它通常需要庞大,百万美元的设备集中光和繁琐的准备工作,以获得超分辨率图像。

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    有了这个新装置,Kim在一个简单的便携式设备上实现了1纳米的分辨率。这项发明可能是一个强大的分析工具,有望向纳米科学各学科的研究人员揭示一个新的信息世界。将光纤纳米线组件与尖端增强的拉曼光谱和扫描隧道显微镜结合起来,能够以简单而优雅的设置收集高分辨率的化学图像,使该工具处于光学成像和光谱学的前沿。该研究团队为这一成就及其对化学研究的影响感到自豪,更感到鼓舞的是,它在生物和材料研究等广泛领域的潜在应用,将进一步推动科学进步。

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    博科园|研究/来自:加州大学河滨分校

    参考期刊《自然光子学》

    DOI: 10.1038/s41566-019-0456-9

    博科园|科学、科技、科研、科普

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