激光脉冲将光纤纳米尖端转换为多功能电子枪

Oak Ridge项目为纳米级成像和传感提供可更容易生成的电子

来自Oak Ridge National Laboratory (ORNL)和University of Nebraska-Lincoln的一个研究小组已经证明了光纤尖端如何通过光纤内的激光脉冲来发射电子。早期的研究表明光纤的锐利纳米尖端在受到光刺激时可以充当电子源，但直到现在,光必须来自外部光源，并且要与纳米尖端的顶点精准对齐。这项研究成果发表在《New Journal of Physics》上，实验结果表明电子发射可以通过光纤本身的激光脉冲实现。通过在以前难以到达的角度或位置发射电子，可以实现更高效的纳米级成像和传感器方面的应用。

来自University of Nebraska-Lincoln的Herman Batelaan说：“以前的激光必须随时追踪光纤的尖端，这在技术上是一件很困难的事情。这项技术难题限制了图像的拍摄速度以及拍摄位置。” 这个难题突破的关键在于找到降低激光功率的电子发射机制，特别是仔细设计光纤的纳米尖端。如果光纤的锥形纳米尖端尺寸合适，并且有金涂层，那么计算结果表明，穿过光纤的激光脉冲引入的电场强度将在尖端生成一个明显的热点，这个热点足以激发电子发射。

表面等离子激元是关键

为了验证这一理论，Nebraska研究小组使用飞秒激光来发射超短激光脉冲，激光脉冲穿过光纤，光纤末端有50纳米半径的纳米尖端，并且涂有一层金薄膜。这种特殊的光纤是由ORNL制造的出来的。测试使用的激光波长范围为500至740纳米。测试结果证明，镀金纳米尖端确实可以激发电子的发射，并且是可控的。他们还表明纳米尖顶的电场因特定激光的波长而增强，这种情况被认为是与表面等离子体激元有关。

来自Nebraska的Sam Keramati说：“通过将飞秒激光调整到正确的波长(我们称之为表面等离子体激元的共振波长)，我们得到了超过临界值的电子发射。表面等离激元共振表示电子在金属表面的集体振荡。当电子从光子中吸收足够的能量，高于发射阈值，便可以携带初始的动能发射出来。”

在验证了这一原理后，研究小组还发现了只要增加纳米尖端的电压用作补偿，便可以用一个低功率的连续波激光器得到类似的结果。据称，这被认为是电子能够从纳米尖端发射的最小激光强度。Batelaan 指出：“现在你可以用10美元的二极管激光器激发电子，而不是使用功能强大但是极其昂贵的激光器。”

压缩态光作为显微镜的关键技术

ORNL最近的第二个突破是，他们使用压缩态光测量原子力显微镜微悬臂梁的位移。这被认为是非线性干涉测量的第一个实际的应用。压缩态光是一种在非线性光学可以产生的特殊状态，它在量子计量学中被认为很有用，因为电场的固有噪声低于真空状态的噪声。据 ORNL 称，该项目使用压缩态光源而不是激光来测量原子力显微镜的微悬臂梁位移，其灵敏度度据说比经典光子学的灵敏度提高 了50%。来自ORNL Materials Science and Technology Division的Ben Lawrie表示：“我们展示了如何使用压缩态光（量子信息科学的主力）作为显微镜的关键技术。我们测量了原子力显微镜微悬臂梁的位移，它的灵敏度优于标准的量子极限。”

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