我们放大物体精细细节的能力受到光波特性的限制

在“复仇者联盟：残局”中，托尼·斯塔克警告斯科特·朗，将他送入量子领域并将他带回来将是一场“十亿对一的宇宙侥幸”。

实际上，将光束缩小到纳米尺寸的点来监视量子尺度的光 -物质相互作用并检索信息并不容易。现在，加州大学河滨分校的工程师们已经开发出一种新技术，以前所未有的效率将光线传输到量子领域。

(资料图)

在Nature Photonics论文中，由化学和环境工程助理教授Ruoxue Yan和电子与计算机工程助理教授刘明领导的团队描述了世界上第一台集成玻璃的便携式廉价光学纳米工具带有银纳米线电容器的光纤。该设备是一个高效的往返光隧道，将可见光挤压到聚光器的尖端，与局部分子相互作用，并发回可以破译和可视化难以捉摸的纳米世界的信息。

我们放大物体精细细节的能力受到光波特性的限制。如果你曾经在科学课上使用过光学显微镜，你可能已经知道，在一切都变得模糊之前，人们只能将物体放大约2000倍。这是因为无法区分任何比光波长的一半更细的特征- 对于远场可见光来说几百纳米- 无论你的显微镜有多先进。

与远场波不同，近场波仅存在于非常靠近光源的地方，并且不受此规则的约束。但他们不会自愿旅行，也很难利用或观察。自20世纪20年代以来，科学家们一直认为，通过金属薄膜上的小针孔强迫光线会产生可以转换成可探测光的近场波，但是第一批成功的原型直到半个世纪之后才建成。

在20世纪90年代早期，2014年诺贝尔化学奖获得者Eric Betzig对早期的成像性能和可靠性原型进行了重大改进。从那时起，已知的近场扫描光学显微镜已被用于揭示许多化学，生物和材料系统的纳米级细节。

不幸的是，差不多半个世纪之后，这种技术仍然是深奥的，很少被人使用。

“通过比人类头发直径小一千倍的微小针孔发光是没有小事，”刘说。“只有少数百万光子或光粒子可以通过针孔到达你想要看到的物体。获得单向票已经具有挑战性了;带回一个有意义信号的往返机票几乎是白日梦“。

科学家们为改善这一机会做出了无尽的努力。虽然目前最复杂的探测器只允许1,000个光子中的一个到达物体，但UC Riverside设备可将一半的光子传输到尖端。

“设计的关键是两步连续聚焦过程，”Yan说。“在第一步中，远场光的波长随着沿着逐渐变薄的光纤传播而缓慢增加，而不改变其频率。当它与位于顶部的银纳米线中的电子密度波的波长相匹配时。光纤，热潮!所有的能量都转移到电子密度波，开始在纳米线的表面上行进。“

在聚焦过程的第二步中，波在尖端处逐渐凝结成几纳米。

加州大学河滨分校的设备是一个微小的银色针头，灯光从尖端射出“有点像哈利波特的魔杖照亮了一个小区域，”进行这项研究的博士生Sanggon Kim解释道。

金所使用的设备绘制出的分子振动，允许一个分析的频率化学键，在一个分子保持在一起原子。这被称为尖端增强拉曼光谱或TERS成像。TERS是近场光学显微镜中最具挑战性的分支，因为它处理非常微弱的信号。它通常需要庞大的，价值数百万美元的设备来集中光线和繁琐的准备工作来获得超分辨率的图像。

通过新设备，Kim在简单的便携式设备上实现了1纳米的分辨率。本发明可以是一种强大的分析工具，有望为纳米科学的所有学科的研究人员揭示新的信息世界。

“光纤纳米线组件与尖端增强拉曼光谱仪结合扫描隧道显微镜的集成，可以在简单而优雅的设置中收集高分辨率化学图像，将此工具置于光学成像和光谱学的最前沿。我们为这一成就及其对化学研究的影响感到自豪。我们对其在生物和材料研究等各种学科中的潜在应用感到更加鼓舞，这些学科将进一步推动科学进步，“代理副主任林鹤表示。美国国家科学基金会化学部门，该部门资助了该研究。