挤压纳米级的光

哈佛大学约翰·保尔森工程与应用科学学院(SEAS)的研究人员开发出一种新技术，可将红外光压入超密闭空间，产生强烈的纳米级天线，可用于检测单个生物分子。

研究人员利用极化子的力量，极化子模糊了光与物质之间的区别。这种超受限制的光可用于检测极化子附近的非常少量的物质。例如，许多有害物质，例如甲醛，具有可以通过这些天线放大的红外特征。极化子的形状和大小也可以调整，为智能红外探测器和生物传感器铺平了道路。

该研究发表在Science Advances上。

“这项工作开辟了纳米光子学领域的新领域，”应用物理学教授罗伯特·L·华莱士和电子工程高级研究员Vinton Hayes以及该研究的高级作者Federico Capasso说。“通过将光耦合到原子振动，我们将光线聚集到远小于其波长的纳米器件中，为我们提供了一种检测和操作分子的新工具。”

极化子是混合量子力学粒子，由与二维晶体中的振动原子强耦合的光子组成。

“我们的目标是利用光与物质和工程极化之间的强烈相互作用，将光线聚焦在非常小的空间中，”SEAS应用物理学博士后研究员，该论文的共同第一作者Michele Tamagnone说。

研究人员制造了纳米圆盘 - 最小的约50纳米高和200纳米宽 - 由二维氮化硼晶体制成。这些材料充当微谐振器，捕获红外光子并产生极化子。当用红外光照射时，光盘能够将光聚集成比标准光学材料(例如玻璃)小几千倍的光。

在如此高的浓度下，研究人员注意到了对极化子行为的一些好奇：它们像玻璃中的水一样晃动，根据入射光的频率改变它们的振荡。

“如果你来回翻转杯子，玻璃杯中的水会向一个方向摆动。如​​果你旋转你的杯子，玻璃杯内的水会向另一个方向摆动。极化子以类似的方式摆动，就好像纳米-discs是为了点亮一杯水是什么，“Tamagnone说。

与传统的光学材料不同，这些氮化硼晶体的尺寸不受光波长的限制，这意味着杯子的尺寸没有限制。这些材料也具有微小的光学损耗，这意味着限制在光盘上的光在其沉降之前可以长时间振荡，使得光线内部更加强烈。

研究人员通过将两个相互振荡的光盘放在一起，进一步集中光线，将光线夹在它们之间的50纳米间隙中，并创建一个红外线天线。随着光线集中在越来越小的体积中，其强度增加，产生的光场非常强，它们可以对附近的粒子施加可测量的力。

“这些光诱导力也是我们的检测机制之一，”哈佛大学纳米系统中心首席科学家安东尼奥•安布罗西奥说。“我们通过连接到悬臂上的原子尖锐尖端引起的运动观察到这种超受限制的光线。”

哈佛团队未来的挑战是优化这些轻型纳米浓缩器，以达到足够高的强度，以增强与单个分子的相互作用，从而达到可检测的值。