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。
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。
博科园-科学科普｜参考期刊文献：Science Advances｜来自：哈佛约翰A.保尔森工程与应用科学学院
