Pētnieki trina nanodaļiņas

Kvantu lēciens nanosensoros izdevās

Kvadrupola gaismas lauks - Štutgartes universitāte
lasīt skaļi

Fiziķi ir veikuši kvantitatīvu lēcienu nanosensēšanas jomā. Pārsteidzoši, kā viņi ziņo žurnālā "Dabas materiāli", zelta daļiņu grupa vienmēr kļūst caurspīdīga, ja trīs būtībā necaurspīdīgas daļiņas ir novietotas viena otrai blakus sarežģītā izvietojumā un sakrautas viena virs otras. Balstoties uz jaunajiem rezultātiem, nākotnē var būt iespējams izveidot molekulārus sensorus, kas spēj identificēt niecīgu daudzumu šķidruma vai pat atsevišķas molekulas.

Metāli atspoguļo gaismu, to zina visi, kas ieskatās spogulī. Bet metāli var arī norīt gaismu. Šis efekts ir mazāk pazīstams, un to izmanto, piemēram, krāsainu vitrāžu izveidošanai. Spilgtas krāsas nāk no niecīgām zelta vai sudraba daļiņām stikla masā, šodien runā par metāla nanodaļiņām.

Pat senie romieši zināja, kā mainīt krāsas, mainot pievienotā metāla daudzumu un kušanas ilgumu. Tādējādi daļiņu sastāvs un lielums var ievērojami mainīt to optiskās īpašības, taču vienmēr daļiņas vai nu norij, vai atstaro gaismu. Ar šīm gadsimtiem senajām zināšanām Štutgartes un Kaizerslauternas universitāšu pētnieki tagad ir izlauzuši savu jauno pētījumu.

Gaisma izraisa elektronu vibrāciju

Gaisma ir elektromagnētisks vilnis un var izraisīt metālu elektronu vibrāciju līdzīgi kā šūpoles, kas trāpa. Un, tā kā šūpoles pēc kāda laika berzes dēļ vairs vibrē, gaismas enerģija nonāk metāla nanodaļiņās un caur elektrisko pretestību rada siltumu. Fiziķi saka, ka tiek stimulēts un pēc tam novājināts daļiņu plazmons. Šī daļiņu plazmons ir metāla elektronu kolektīva vibrācija.

"Iznīcinošie traucējumi"

Pētījumiem zinātnieki tagad apvienoja vairākas vibrācijas. Tas ir tāpat kā salikt vairākas šūpoles ar gumijas joslām. Māksla ir izvēlēties šūpoles garumus un savienojošās gumijas joslas tā, lai šūpoles šūpotos tieši pretī. Tad runā par antifāzes svārstībām vai par "iznīcinošiem traucējumiem". Gandrīz nevienu enerģiju nevar pārnest uz svārstīgo sistēmu. displejs

Viltība ir daļiņu izvietojums

Lai nanodaļiņu grupa varētu izlaist gaismu, pētnieki izdomāja viltību un kārtīgi sakārtoja daļiņas: Šim nolūkam viņi novietoja divus niecīgus metāla stieņus, kuru garums bija tikai 200 nanometri (milimetra miljondaļas), blakus un otru pāri. Attālums starp daļiņām ir mazāks par 100 nanometriem.

Šīs īpaši smalkās struktūras tika izgatavotas ar vismodernākajām nanotehnoloģijām, tā saukto elektronu staru litogrāfiju, ko veidoja Na Liu no Štutgartes universitātes 4. Fizikas institūta profesora Haralda Gīzena komandas. Kaizerslauterna teorētiķi J rgen K stel un Michael Fleischhauer aprēķināja konstrukciju formu un attālumu un prognozēja to ideālo izvietojumu. Fiziski runājot, efekts ir tā saucamās plašās dipola rezonanses savienojums vienā metāla stieplē ar stiepļu pāra šauro kvadrupola rezonansi tajā pašā viļņa garumā.

Ja uz šāda parauga spīd gaisma, rodas jauna parādība: noteiktā viļņa garumā visa struktūra gandrīz pilnībā izstaro gaismu. Šim viļņa garumam ir noteikta krāsa, un logs gaismas spektrā ir ļoti šaurs, plašā absorbcijā. Pētnieki salīdzina šo efektu ar klasisko tā saucamā elektromagnētiskā indukcijas caurspīdīguma analogu. Ideja nāca no atomu fiziķa profesora Tilmana Pfau no Štutgartes Universitātes 1. Fizikas institūta, kurš ir arī pētījumu grupas loceklis.

Izrāviens plazmonisko sensoru jomā

Ar šo atklājumu Štutgartes un Kaiserslauternas pētījumu grupa panāca izrāvienu plazmonisko sensoru tehnoloģijas jomā. Iepriekšējās pētījumu grupas, kurās nanosensoriem tika izmantotas mazas metāla daļiņas, ierobežoja to izstarojuma vājināšanās. Šis efekts ir saistīts ar faktu, ka vibrējošos elektronus metāla nanodaļiņās ne tikai vājina elektriskā pretestība, bet arī izstaro elektromagnētisko starojumu, piemēram, nelielu antenu, kas arī noved pie enerģijas zuduma.

Tas nodrošina, ka lokalizētās daļiņu plazmonu rezonanses, kuras iepriekš tika izmantotas sensoru sistēmām ļoti maziem šķidruma daudzumiem vai pat mazākām molekulām, bija samērā plašas. Rezonanses viegli mainās, kad nanodaļiņu tiešajā vidē nonāk gāze, šķidrums vai molekulas. Tomēr ar plašu rezonansi maiņu nevar tik viegli noteikt.

Ceru uz jauniem molekulāriem sensoriem

Jaunā struktūra, ko izstrādājuši pētnieki, novērš enerģijas zudumus elektromagnētiskā starojuma dēļ, un komanda pat parāda veidu, kā vēl vairāk samazināt esošo neraditējošo vājinājumu metālā. Šaurās rezonanses dēļ tā sauktais LSPR (lokalizēts virsmas plazmas rezonanses sensors) būs daudz jutīgāks.

Zinātnieki cer, ka ar šīs tehnoloģijas palīdzību nākotnē būs iespējams uzbūvēt jaunus molekulāros sensorus, kas var atklāt pat vismazāko šķidruma daudzumu, iespējams, pat atsevišķas molekulas. Gaismas signālu glabāšana optiskās datu pārraides laikā ar "lēnu gaismu" arī būtu iespējams pielietojuma lauks.

Drīz labāk metamateriāli?

Un, iespējams, varētu tikt atrisināta arī vecā metamateriālu zaudēšanas problēma, kas nesen ir izraisījusi sensāciju negatīvā refrakcijas indeksa un optiskā Maskēšanās vāciņa jomā. Komanda no ASV un Grieķijas pašlaik izmanto jaunās struktūras no Štutgartes daudz labākām un zemu zudumu metamateriālām.

(idw - Štutgartes Universitāte, 07.07.2009. - DLO)