Ультраконфигурированный свет может быть использован для обнаружения опасных молекул

Ученые из Школы инженеров и прикладных наук Гарварда Джона А. Полсона (SEAS) разработали новый метод сжимания инфракрасного света в ультраконфигурированные пространства, создавая интенсивную наномасштабную антенну, которая может быть использована для восприятия одиночные биомолекулы.

Эти нано-диски действуют как микрорезонаторы, захватывая инфракрасные фотоны и генерируя поляритоны. При освещении инфракрасным светом диски концентрируют свет в объеме, в тысячи раз меньшем, чем это возможно при использовании стандартных оптических материалов, которые могут быть использованы для обнаружения одиночных биомолекул. (Image credit: Capasso Lab / Harvard SEAS)

Ученые использовали энергию поляритона. Поляритоны – это в основном частицы, которые искажают различие между светом и веществом. Этот ультраконфигурированный свет может быть использован для обнаружения очень малых количеств вещества вблизи поляритонов. Например, многие опасные вещества, такие как формальдегид, имеют инфракрасную подпись, которая может быть увеличена этими антеннами. Размер и форма поляритонов также могут быть изменены, открывая двери для интеллектуальных биосенсоров и инфракрасных детекторов.

Исследование было опубликовано в Science Advances.

Эта работа открывает новую границу в нанофотонике. Путем связывания света с атомными колебаниями мы сконцентрировали свет на наноустройствах, значительно меньших его длины волны, что дает нам новый инструмент для обнаружения и манипулирования молекулами.

Федерико Капассо, профессор прикладной физики Роберта Л. Уоллеса и старший научный сотрудник по электротехнике Винтон Хейс и старший автор исследования.

Поляритоны представляют собой гибридные квантовомеханические частицы, состоящие из фотона, прочно связанного с вибрирующими атомами в двумерном кристалле

«Наша цель состояла в том, чтобы использовать это сильное взаимодействие между светом и веществом и инженерами поляритонов, чтобы сфокусировать свет в очень малых пространствах», – сказал Микеле Таманьне, докторант по прикладной физике в SEAS, первый автор.

Ученые построили нано-диски – наименьшее измерение около 50 нм в высоту и ширину 200 нм, состоящее из двумерных кристаллов нитрида бора. Эти материалы ведут себя как микрорезонаторы, захватывающие инфракрасные фотоны и генерирующие поляритоны. При облучении инфракрасным светом диски могут концентрировать свет в объеме, в тысячи раз меньшем, чем это возможно при использовании обычных оптических материалов, таких как стекло.

В таких высоких концентрациях ученые обнаружили нечто уникальное в поведении поляритонов: они колебались, как вода, раскачивающаяся в стекле, изменяя их колебания на основе частоты падающего света.

Если вы опрокидываете чашку назад и вперед, вода в стекле колеблется в одном направлении. Если вы закрутите свою чашку, вода внутри стекла колеблется в другом направлении. Поляритоны осциллируют аналогичным образом, как будто нано-диски должны освещать, что такое чаша для воды.

Мишель Таманьоне, докторант по прикладной физике в SEAS и первый автор статьи.

В отличие от традиционных оптических материалов эти кристаллы нитрида бора не ограничены по размеру длиной волны света, то есть нет ограничений на то, насколько маленькая чаша может быть. Эти материалы также имеют мелкие оптические потери, а это означает, что свет, ограниченный диском, может колебаться в течение длительного времени, прежде чем он станет спокойным, сделав свет еще более сильным.

Ученые также сконцентрировали свет, разместив два диска с соответствующими колебаниями, смежными друг с другом, захватив свет в промежутке 50 нм между ними и сформировав инфракрасную антенну. Когда свет концентрируется в меньших и меньших объемах, его прочность увеличивается, тем самым создавая настолько сильные оптические поля, что они могут применять измеримую силу на соседних частицах.

«Эти индуцированные светом силы служат также одним из наших механизмов обнаружения», – сказал Антонио Амброзио, главный ученый из Гарвардского центра наноразмерных систем. « Мы наблюдали этот ультраконфигурированный свет благодаря движению, которое он индуцирует на атомарно острый кончик, соединенный с кантилевером».

Будущая задача для исследователей Гарварда заключается в том, чтобы усилить эти легкие наноконцентраторы, чтобы достичь интенсивностей, достаточно высоких, чтобы улучшить взаимодействие с одной молекулой до определяемых значений.

Это исследование было соавтором Кундана Чаудхари, Луиса А. Яугуги, Филиппа Кима и Уильяма Л. Уилсона. Национальный научный фонд и Швейцарский национальный научный фонд поддержали исследование.

Source link