日本研究人員開發了一種根據奈米粒子的量子力學特性進行光學篩選和分類的方法。該方法可能被證明是奈米結構製造商在量子感測、生物成像和量子資訊科技方面應用的關鍵工具。

科學家們有幾種不用觸控就能操縱和定位微小物體的方法。例如，光鑷利用高度聚焦的鐳射束產生光力，在光束的軌道上抓住和移動物體。這種鑷子已經成為生物研究、微流體學和微力學的有力工具。然而，他們只能操縱相對較大的物體，因為衍射限制了捕獲鐳射束的光斑大小，約為照明光波長的一半。例如，對於波長為700奈米、鐳射功率為幾兆瓦的紅光，鑷子只能穩定地捕捉和操縱直徑約為350奈米或更大的物體。捕獲和操縱較小的粒子是具有挑戰性的，因為隨著粒子體積的減小，光力會減弱。

具有發光中心的奈米金剛石

在這項新研究中，由大阪大學的Hajime Ishihara和北海道大學的Keiji Sasaki領導的一個團隊開發了一種分類奈米金剛石的方法。奈米金剛石是一種具有光電特性的小片半導體點，它們來自大塊金剛石和某些缺陷。當金剛石晶格中相鄰的碳原子被氮原子和一個空位取代時，就會出現氮空位(NV)。這些缺陷為量子光學器件提供了一個很有前途的平臺，因為它們充當了發光中心——這意味著它們以一個特定的共振頻率吸收光，同時以另一個頻率發射光。

當被鐳射照射時，奈米鑽石散射光，而它們的NV中心(如果它們有的話)吸收光。光散射和吸收的結合將動量從光子傳遞給奈米粒子，而奈米金剛石在有NV中心和沒有NV中心時所經歷的不同動量傳遞，原則上可以用來區分它們。然而，在實踐中，這並非易事。

Ishihara和Sasaki解釋說:“雖然這兩種效應(散射和吸收)產生的光力可以用於在宏觀尺度上移動粒子，但是很難從周圍不含這些缺陷的原始奈米金剛石中選擇含有nv中心的奈米金剛石。”“這是因為大塊金剛石的散射光力比NVs吸收的光所產生的光力要強得多。”

限制粒子運動

研究人員的解決方案是平衡更大的散射力，這樣他們就可以區分由NV中心引起的吸收力。為此，他們發射了兩束不同顏色的鐳射束，沿著奈米纖維向相反的方向傳播。纖維長几毫米，直徑幾百奈米，周圍會形成一個強烈的消光場。石原慎太郎和佐佐木解釋說，這個領域允許光遠距離傳播，同時保持緊密聚焦的光束，因此將被困在其中的奈米粒子的運動限制在一維範圍內。

在這樣的波導中，光子的動量是恆定的，這使得該裝置成為分析施加在奈米顆粒上的光力的理想裝置。透過平衡兩束鐳射沿奈米纖維產生的吸收力和散射力，研究人員能夠根據NV中心是否存在來運輸單個奈米粒子。

雖然該團隊專注於奈米金剛石，但Ishihara和Sasaki指出，其他奈米顆粒可能是“同樣有趣的目標”。確實，他們現在計劃研究將類似方法應用於奈米材料的方法，例如摻雜有機染料的奈米顆粒和不同型別的半導體量子點結構。“我們的目標排序與單個量子態（即，與單個發光中心）奈米粒子和開發的技術進行排序顆粒的數量龐大的在實際應用中使用，”他們告訴物理世界。