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科學家使電漿子奈米場清晰成像

本文轉載自PEREGRINE科學點滴

在蝴蝶結形電漿設備進行金的螢光成像,柏克萊實驗室的研究人員收集到的電漿模式距離只有幾個奈米。

於典型的電漿子設備(plasmonic devices)中,電磁波擠進細微的金屬結構物中,而將能量聚集進入奈米級的維數(dimensions)中。由於電子技術及光子技術在上述金屬奈米結構物中的結合,電漿子設備可能被利用來供作高速數據傳輸及超快探測器陣列使用。不過,對科學家們而言,研究奈米級裝置中的電漿子場(plasmonic fields)有項天然障礙,因為檢測此些結構物時,會本質上地改變其狀態。

在美國勞倫斯柏克萊國家實驗室(Lawrence Berkeley National Laboratory)分子鑄造所(Molecular Foundry)之奈米結構物造影暨操縱設備,從事研究的科學家Jim Schuck宣稱:「不論使用雷射或燈泡,光的波長依然太強以至於無法研究奈米結構物中的電漿子場。更重要的是,多數被用來研究電漿子場的工具會改變該種場的分佈狀態,這是他們想瞭解的極端反應。」

在科學家的研究領域中,光學顯微鏡技術往往扮演基本角色。因為該種技術容易使用且不會對精心製作的電子電路或脆弱的生物樣本造成損害。不過,諸如DNA的股(strand)或量子點等令人感興趣的典型奈米級物體,尺寸上遠小於可見光的波長,這意味當此類物體緊密靠近時,該種技術會喪失從中做出區分的能力。目前,科學家們使用了計數散發自物體的光子數量,以協助確定其位置的「定位」技術,來挑戰上述極限。

於先前的研究中,Schuck及分子鑄造所(美國能源部奈米級科學研究中心)的同僚們設計了,旨在以奈米級方式捕捉、過濾及操控光的蝴蝶結形電漿子設備。此些奈米色彩區分設備充當了,於細微空間中,將光區分並聚集成渴望之色彩或能量組的天線(antennae)。就濾光器及偵測器而言,這是至關重要的。

柏克萊實驗室分子鑄造廠的科學家已經開發出一種網頁成像工具包,供研究人員在研究電漿子和光子結構時使用。這種開放源碼軟體可在http://www.nanohub.org下載

該最近的進展中,Schuck及其柏克萊國家實驗室的團隊使用了創新的造影概念,以奈米級解析度來視覺化出自上述設備的電漿子場。藉由造影來自蝴蝶結形設備中的金螢光及使收集自該種設備的光子數量達最大限度,該團隊能查明彼此相距僅幾奈米之電漿子振盪模(plasmonic modes:導致光共振的電荷振盪)的位置。

Schuck宣稱:「他們懷疑過,是否有利用早已存在其蝴蝶結形電漿子設備中的光,來探索電漿子場及充當信息(reporter)的方法。他們的方法對於諸如細微的結構瑕疵(structural flaws)或尺寸效應(size effects)等體系中的缺陷也是敏感的,這顯示他們能利用此方法,來衡量電漿子設備在研究及開發裝置上的性能。」

與Schuck的實驗性發現並行,分子鑄造所的Jeff Neaton及該所研究生Alex McLeod開發了,以網路為基礎的成套工具(toolkit)。旨在使用美國麻省理工學院所開發的開放式資源軟體,來確認電漿子設備的影像。就該項研究而言,此些研究人員模擬了調整成雙之蝴蝶結形天線的結構達幾奈米,來研究改變電漿子天線的大小及對稱性,如何影響其諸多光學屬性。

McLeod宣稱:「藉由改變它們的結構僅達幾奈米,他們能以顯著的確定性及可預期性,將光聚集於該種蝴蝶結形天線內的不同位置上。該研究證實,就如同他們的模擬預期,此些奈米級光學天線與光產生共振。」

上述的成套工具,對研究電漿子及光子結構的研究人員而言是有助益的,因為於nanoHUB上將可資下載。nanoHUB是透過美國國家科學基金會計算奈米技術網路(the National Science Foundation`s Network for Computational Nanotechnology)所創設之奈米科學暨技術的計算資源。

一篇報告該標題為「經由光子局部化顯微鏡技術之奈米級電漿子場分佈的非擾亂性視覺化」(Non-perturbative visualization of nanoscale plasmonic field distributions via photon localization microscopy)的論文,發表於《物理評論記事》(Physical Review Letters)期刊。與Schuck、McLeod及Neaton合撰該論文的是,Alexander Wargioni、Zhaoyu Zhang、Scott Dhuey、Bruce Harteneck及Stefano Cabrini。

該於分子鑄造所的研究,部分是由美國能源部科學局(DOE`s Office of Science)所資助。而美國國家科學基金會也透過計算奈米技術網路提供資助。

原文網址:http://newscenter.lbl.gov/feature-stories/2011/02/03/plasmonic-nanofields-into-focus/

翻譯:peregrine

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