在納米尺度上擠壓光線：超限光線可以探測有害分子

哈佛大學約翰·a·保爾森工程和應用科學學院(SEAS)的研究人員已經開發出一種新技術，將紅外光擠進超密閉空間，產生一種強大的納米級天線，可以用來探測單個生物分子。研究人員利用了極化的力量，這些粒子模糊了光和物質的區別。這種超有限的光可以用來探測極少量的物質靠近極化子。例如，許多有害物質，如甲醛，都有紅外信號，這些信號可以被這些天線放大。偏振片的形狀和大小也可以調整，為智能紅外探測器和生物感測器鋪平了道路。這項研究發表在《科學進展》雜誌上。

納米圓盤充當微共振器，捕獲紅外光子併產生極化子。當用紅外光照明時，圓盤將光集中在比標準光學材料小數千倍的體積內。在如此高的濃度下，極化子就像水在玻璃中晃動一樣，根據入射光的頻率改變其振蕩。圖片：Harvard SEAS

伯特·l·華萊士應用物理學教授、溫頓·海斯電氣工程高級研究員費德里科·卡帕索(Federico Capasso)說：這項工作開闢了納米光子學的一個新領域，通過將光與原子振動耦合，將光集中到比其波長小得多的納米器件上，這為我們提供了一種探測和操縱分子的新工具。極化子是一種混合的量子力學粒子，由一個光子在二維晶體中與振動的原子強耦合而成。海洋應用物理學博士後研究員、論文的共同第一作者Michele Tamagnone說：我們的目標是利用光和物質之間強烈的相互作用，設計偏振片，將光線聚焦在非常小的空間。研究人員用二維氮化硼晶體製作了納米圓盤——最小的約50納米高，200納米寬。

這些材料充當微共振器，捕獲紅外光子併產生極化子。當用紅外光照明時，光碟能夠將光集中在比標準光學材料(如玻璃)小數千倍的體積內。在如此高的濃度下，研究人員注意到極化子的一些奇怪行為:它們像水在玻璃中晃動一樣振動，根據入射光的頻率改變它們的振蕩。如果把杯子倒過來倒過來，杯子里的水就會朝一個方向擺動，如果你旋轉你的杯子，杯子里的水在另一個方向震蕩，偏振片以類似的方式振蕩，就好像納米圓盤照亮了杯子和水一樣。與傳統的光學材料不同，這些氮化硼晶體的大小不受光波長的限制，這意味著杯子的大小沒有限制。這些材料也有微小的光損失，這意味著局限在圓盤上的光在安定下來之前會振蕩很長一段時間，使內部的光更加強烈。

研究人員進一步將光線集中在兩個圓盤上，並在它們之間的50納米間隙放置匹配的振蕩，從而形成一個紅外天線。當光以越來越小的體積聚集時，它的強度就會增加，從而產生強大的光場，可以對附近的粒子施加可測量的力。哈佛大學納米系統中心的首席科學家Antonio Ambrosio說：這些光誘導的力量也是我們的探測機制之一，觀察到這種超封閉的光，它通過一個與懸臂連接的原子尖尖端感應到的。哈佛團隊未來的挑戰是優化這些光納米集中器，以達到足夠高的強度，以增強與單個分子的相互作用，從而達到可檢測的價值。

博科園-科學科普｜參考期刊文獻：Science Advances｜來自：哈佛約翰A.保爾森工程與應用科學學院

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