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光学技术按纳米粒子的量子特性对其进行分类

发布:WD114EVA    |    2021-02-19 21:07    阅读:452
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光学技术按纳米粒子的量子特性对其进行分类

在这个波导中,光子的动量是恒定的,这使这个装置是分析施加在纳米粒子上光力的理想之选。Hajime Ishihara 和 Keiji Sasaki 供图。

日本研究人员研制出一种根据纳米粒子的量子力学特性对其进行光学选择和分选的方法。该方法对纳米结构制造商来说是一个至关重要的工具,它可以应用于量子传感、生物成像和量子信息技术等领域。

科学家有几种方法可以在不接触微小物体的情况下操作和定位它们。例如,光学镊子使用高度聚焦的激光束产生光力,在光束的轨迹中保持和移动物体。这种镊子已成为生物研究、微流体和微力学领域的有力工具。然而,它们只能操纵相对较大的物体,因为衍射将捕获激光束的点大小限制在照明光的半波长左右。例如,对于波长为700 nm并且激光功率为mW级别的红光,镊子只能稳定地捕获和操作直径约为350 nm或更大的物体。捕获和操作较小的粒子是具有挑战性的,因为光力会随着粒子体积的减小而减弱。

带发光中心的纳米金刚石

在这项新工作中,由大阪大学(Osaka University)的Hajime Ishihara和北海道大学(Hokkaido University)的Keiji Sasaki领导的一个团队开发了一种分拣纳米金刚石的方法,纳米金刚石是半导体点的微小片段,具有光电子特性,它们来自主体金刚石以及其特定缺陷。其中一个缺陷称为氮空位(NV)中心,它发生于当金刚石晶格的相邻碳原子被氮原子和空位所取代。这些缺陷是量子光学器件的一个有用的媒介,因为它们充当发光中心,这意味着它们可以吸收特定的,共振频率的光,但是却发射另一种频率的光。

当被激光照亮时,纳米金刚石散射光,而它们的NV中心(如果有的话)可以吸收它。光散射和吸收的结合将动量从光子转移到纳米粒子。原则上,可以利用纳米金刚石有或没有NV中心时经历的不同动量转移来区分它们。然而,在实际操作中这并非简单直接。Ishihara和Sasaki解释道:"虽然这两种效应(散射和吸收)会产生光学力,可用于在宏观尺度上移动粒子,但很难从不含这些缺陷的原始纳米金刚石中选择含有NV中心的纳米金刚石。这是因为散装金刚石的散射光力比来自 NV吸收的光的光力强得多。"

限制粒子运动

研究人员的解决方案是平衡较大的散射力,以便他们能够区分由于NV中心导致的吸收力。为此,他们发送两种不同颜色的激光束,沿着纳米纤维向相反的方向传播。这种纤维周围形成了一个强烈的消散光场,这种纤维有几毫米长,直径为几百纳米。Ishihara和Sasaki解释说这个场允许光在长距离上传播,同时保持为一个高度聚焦的光束,从而将被困在其中纳米粒子的运动限制在一个维度。在这样的波导中,光子的动量是恒定的。这使得这个装置是分析施加在纳米粒子上光力的理想之选。通过平衡两个激光束沿着纳米纤维诱导的吸收和散射力,研究人员能够根据是否存在NV中心来传输单个纳米粒子。

虽然该团队在这项工作中专注于纳米金刚石,但Ishihara和Sasaki指出,应用于其它纳米粒子可能是"同样有趣"。事实上,他们现在计划研究如何将类似的方法应用于纳米材料,例如有机染料掺杂纳米粒子和不同类型的半导体量子点结构。他们告诉Physics World说:"我们的目标是用单一量子态(即单一发光中心)对纳米粒子进行排序,并开发一种技术对大量粒子进行排序,从而变得更加实用。关于此项研究的详细报告发表在《Science Advances》上。

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