哈佛大學(xué)約翰·保爾森工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院(SEAS)的研究人員開發(fā)出一種新技術(shù)，可將紅外光壓入超密閉空間，產(chǎn)生強(qiáng)烈的納米級(jí)天線，可用于檢測(cè)單個(gè)生物分子。

研究人員利用極化子的力量，極化子模糊了光與物質(zhì)之間的區(qū)別。這種超受限制的光可用于檢測(cè)極化子附近的非常少量的物質(zhì)。例如，許多有害物質(zhì)，例如甲醛，具有可以通過這些天線放大的紅外特征。極化子的形狀和大小也可以調(diào)整，為智能紅外探測(cè)器和生物傳感器鋪平了道路。

該研究發(fā)表在Science Advances上。

“這項(xiàng)工作開辟了納米光子學(xué)領(lǐng)域的新領(lǐng)域，”應(yīng)用物理學(xué)教授羅伯特·L·華萊士和電子工程高級(jí)研究員Vinton Hayes以及該研究的高級(jí)作者Federico Capasso說。“通過將光耦合到原子振動(dòng)，我們將光線聚集到遠(yuǎn)小于其波長(zhǎng)的納米器件中，為我們提供了一種檢測(cè)和操作分子的新工具。”

極化子是混合量子力學(xué)粒子，由與二維晶體中的振動(dòng)原子強(qiáng)耦合的光子組成。

“我們的目標(biāo)是利用光與物質(zhì)和工程極化之間的強(qiáng)烈相互作用，將光線聚焦在非常小的空間中，”SEAS應(yīng)用物理學(xué)博士后研究員，該論文的共同第一作者M(jìn)ichele Tamagnone說。

研究人員制造了納米圓盤 - 最小的約50納米高和200納米寬 - 由二維氮化硼晶體制成。這些材料充當(dāng)微諧振器，捕獲紅外光子并產(chǎn)生極化子。當(dāng)用紅外光照射時(shí)，光盤能夠?qū)⒐饩奂杀葮?biāo)準(zhǔn)光學(xué)材料(例如玻璃)小幾千倍的光。

在如此高的濃度下，研究人員注意到了對(duì)極化子行為的一些好奇：它們像玻璃中的水一樣晃動(dòng)，根據(jù)入射光的頻率改變它們的振蕩。

“如果你來回翻轉(zhuǎn)杯子，玻璃杯中的水會(huì)向一個(gè)方向擺動(dòng)。如??果你旋轉(zhuǎn)你的杯子，玻璃杯內(nèi)的水會(huì)向另一個(gè)方向擺動(dòng)。極化子以類似的方式擺動(dòng)，就好像納米-discs是為了點(diǎn)亮一杯水是什么，“Tamagnone說。

與傳統(tǒng)的光學(xué)材料不同，這些氮化硼晶體的尺寸不受光波長(zhǎng)的限制，這意味著杯子的尺寸沒有限制。這些材料也具有微小的光學(xué)損耗，這意味著限制在光盤上的光在其沉降之前可以長(zhǎng)時(shí)間振蕩，使得光線內(nèi)部更加強(qiáng)烈。

研究人員通過將兩個(gè)相互振蕩的光盤放在一起，進(jìn)一步集中光線，將光線夾在它們之間的50納米間隙中，并創(chuàng)建一個(gè)紅外線天線。隨著光線集中在越來越小的體積中，其強(qiáng)度增加，產(chǎn)生的光場(chǎng)非常強(qiáng)，它們可以對(duì)附近的粒子施加可測(cè)量的力。

“這些光誘導(dǎo)力也是我們的檢測(cè)機(jī)制之一，”哈佛大學(xué)納米系統(tǒng)中心首席科學(xué)家安東尼奧•安布羅西奧說。“我們通過連接到懸臂上的原子尖銳尖端引起的運(yùn)動(dòng)觀察到這種超受限制的光線。”

哈佛團(tuán)隊(duì)未來的挑戰(zhàn)是優(yōu)化這些輕型納米濃縮器，以達(dá)到足夠高的強(qiáng)度，以增強(qiáng)與單個(gè)分子的相互作用，從而達(dá)到可檢測(cè)的值。