導讀

據美國新墨西哥大學官網近日報道，該校研究人員在對光線進行奈米級操控方面取得了開創性的新進展。他們研究的系統可帶來不同的應用，從生動的、高解析度彩色印刷技術到可以變革醫療保健的生物感知技術。

背景

長期以來，科學家們一直在追求控制光線與物質之間的相互作用，以開發並推進對於社會來說基礎性的大量技術。隨著近年來奈米技術的爆發，奈米級的光線操控，不僅變成了持續推進這一進展的有前途的途徑，也變成了一項獨特的挑戰，因為當結構的尺寸變得可以與光的波長相比時，新的行為出現了。

(圖片來源：OIST）

創新

美國新墨西哥大學物理與天文學系理論奈米光子學小組的科學家們為了實現這個目標，取得了一項振奮人心的新進展。近日，他們將這一開創性的研究進展，以題為“奈米顆粒陣列產生的近場的限制分析（Analysis of the Limits of the Near-Field Produced by Nanoparticle Arrays）”的論文，發表在奈米技術領域的頂級期刊《ACS Nano》上。

助理教授 Alejandro Manjavacas 領導的研究小組研究了如何操控金屬奈米結構週期性陣列的光學響應，從而在它們周圍產生強烈的電場。

技術

他們研究的陣列由銀奈米顆粒組成，儘管他們的成果也適用於由其他材料組成的奈米結構。銀奈米顆粒是由比人類頭髮絲厚度小數百倍的小銀球組成，這些小銀球放置在一種重複的圖案中。因為每個奈米小球之間的強烈相互作用，這些系統可帶來不同的應用，從生動的高解析度彩色印刷技術到可以變革醫療保健的生物感知技術。

Manjavacas 及其團隊，由 Lauren Zundel 和 Stephen Sanders（二人都是物理與天文學系的研究生）組成，對這些陣列的光學響應進行了建模，發現了令人振奮的新成果。當奈米結構的週期性陣列受到光線照射時，每個顆粒都會產生強烈的響應，如果所有這些顆粒都會相互作用，那麼就會產生大量的集體行為。這種行為在特定的入射光波長下產生，由陣列的顆粒間距決定，並會產生電場。這些電場是照射在陣列上的光線的數千甚至數萬倍。

系統的藝術描繪。隨著顆粒的尺寸減少，場增強得到增加。（圖片來源：新墨西哥大學物理與天文學系）

這種場增強的強度卻取決於陣列的幾何特徵，例如奈米球之間的間距，以及奈米球本身的尺寸。完全違反直覺的是，Manjavacas 及其研究小組發現，降低陣列中奈米顆粒的密度，或者增迦納米顆粒之間的間距，或者減少它們的尺寸，不僅會產生更大的場增強，而且會延伸到離陣列更遠的地方。

價值

Manjavacas 表示：“這項新工作提供了對於奈米結構陣列的根本性認識，從而有助於推進奈米結構陣列的許多應用。我們預測的近場增強將改變超靈敏生物感知等技術的遊戲規則。”

Zundel 表示：“這些巨大的場增強的關鍵在於製造更小且相距更遠的顆粒，發現這一點實在是讓人感到振奮。”

Sanders 表示：“這一點的原因在於，奈米顆粒之間的相互作用以及集體響應得到了增強。”

關鍵字

奈米顆粒、光、電場

參考資料

【1】http://dx.doi.org/10.1021/acsnano.9b05031

【2】https://news.unm.edu/news/nanoscale-manipulation-of-light-leads-to-exciting-new-advancement