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奈米空腔研究將光捕獲極限降至奈米量級
引自科學網
一個國際研究小組正在向先進奈米光電子學(nanophotonics)和奈米力學(nanomechanics)方向邁進，他們率先通過駕馭和誘導奈米空腔(nanocavities)附近產生的近場效應(near-field-induced gradient forces)來架起兩個領域之間的橋樑。上海復旦大學(Fudan University)和位於美國特勒姆市(Durham)的杜克大學(Duke University)的博士生簡宇川(Y. C. Jian)與他的同事們，哈爾濱工業大學深圳研究生院(Shenzhen Graduate School, Harbin Institute of Technology)的肖君軍博士和復旦大學的黃吉平(J. P. Huang)教授，已經設計出了世界上第一台強大的運行在奈米量級的光作業系統。
在這個新設備裏，強大的近場光強由被半導體光子晶體板所限制住的奈米微腔產生。這種強烈的局域化力場力量被證明可以用來操作、挑選和選擇其附近的複雜介質奈米棒。
“這在國際上屬於首次，我們提出了用一個強烈局域化的奈米腔作為一般的操作性光源“，簡介紹說。“光子晶體結構下的這種光學微腔能夠在高折射率的光學介質上施加一個相當的力場，這一點很像近場光學鑷子。”
今天的光學鑷子利用雷射光束本身的高梯度性質來捕獲細胞。但是操作奈米級的物體要求更強的囚禁光強，這個常常超出了正常的衍射極限。
簡和他的同事轉向光子晶體結構，並構造了奈米腔。這是理想的下一代近場光學鑷子，因為它們體積小巧而且製造工藝成熟。簡宇川稱，這種設備可以很容易的操作細小的奈米結構，可以用來作為生物感測器以及細胞、DNA的提取，並且可以用在分子篩上面。
“我們的設備可用于未來奈米尺度的光電積體電路“，他強調： “我們的具體目的是要闡明一種全光耦合系統的運作機制，它的威力主要體現在可以用來實現集成光學機械系統。我們同時也想說明的是，該設備可以應用在目前的半導體奈米元件製造工藝上面。”
在新出版的國際物理化學雜誌上，文章介紹其將一隻半導體介質的奈米棒放在高品質因數的光子晶體空腔上。在空腔附近，光偶極子的力場與奈米介質發生交互作用；于此同時，奈米介質也會在光子晶體空腔中產生微小擾動，從而聯合影響該系統的行為和穩定。“施加奈米棒上的光學力是否將其推或拉至平衡位置，這要歸功於不斷演變的吸引或者排斥的相互作用“，簡表示：“更重要的是，這種光學動力和光源是通過腔中的自發輻射雷射產生的，因此輸出和輸入均為可調。”
復旦大學和杜克大學的聯合研究組認識到仍有許多具體工作要做，以彌合在目前的基礎研究和未來的工業應用之間的差距。他們的下一步計畫是考查一系列光子晶體材料陣列，看是否可以用於並行和大規模的奈米器械操縱。另一個計畫則是探討更寬頻譜帶上的運行是否可能。
The Journal of Physical Chemistry C (ACS Publications)原文論文
Optical Force on Dielectric Nanorods Coupled to a High-Q Photonic Crystal Nanocavity
J. Phys. Chem. C, 2009, 113 (39), pp 17170–17175
DOI: 10.1021/jp903617a
Publication Date (Web): September 3, 2009
Copyright © 2009 American Chemical Society
Y. C. Jian*†, J. J. Xiao*‡ and J. P. Huang*§
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