物理研究
 

暗等离子体振子可在微米尺度传输能量

时间:2016-04-16  来源:  作者:

  据美国物理学家组织网2月10日(北京时间)报道,美国莱斯大学的科学家表示,黄金纳米粒子的微观通道可通过暗等离子体振子传输电磁能量,而微米尺度的高效能量传输或将大幅提升光电设备的效能。相关论文发表在近期出版的《纳米快报》杂志上。

  该校化学和电气系副教授斯蒂芬·林克开发了一种在玻璃上“打印”黄金纳米粒子细线的方式,这些纳米粒子线能从一个纳米粒子将信号传给几微米外的另一个纳米粒子。传输间距远高于此前的实验成果,效果与使用黄金纳米线进行传输大致相当。

  研究人员利用电子束将微小的通道切割成玻璃基板上的聚合物,以让纳米粒子线成形。黄金纳米粒子通过毛细作用力沉积在通道内,当剩余的聚合物和杂散的纳米粒子被冲走后,纳米粒子线形成,粒子则留在距离纳米线几纳米之外。这些粒子都聚集于拥挤不堪的线型链中。较小的粒子间距能产生强劲的电磁耦合,引发低损耗“亚辐射”等离子体振子的形成,这可促进能量传播的距离达数微米。

  等离子体振子是一种可在金属表面移动的电子波,就像池塘中的水被干扰时一样。这种干扰可由光等外部的电磁源引起,相邻的纳米粒子将在电磁场互相作用的位置相互耦合,支持信号从一个粒子传输至下一个粒子。而暗等离子体振子没有纯粹的偶极矩,因此其无法与光结合。

  为了验证究竟能传输多远,林克及其同事为15微米长的粒子线涂上了荧光染料,并利用光漂白的方法来测量由激光所激发的等离子体振子的传输距离。结果显示,等离子体振子的传播能量随距离增加呈指数递减。在传输4微米后,所测的强度值仅为最初的1/3。虽然这样的传输距离仍比传统的光波导短,但在微型电路内只需要覆盖较小的长度尺度。未来或可将放大器应用于系统之中,以增加传输距离。

  林克还表示,银纳米线具有比黄金更好的等离子体振子波运载功能,传输长度可达15微米。如果未来以银纳米粒子进行实验,则可应用于更复杂的结构,或是利用纳米粒子波导与其他纳米结构部件连接。

  总编辑圈点

  纳米材料制备技术的进展使得制造可控尺寸和形状的金属纳米颗粒和微型电路成为现实,黄金纳米粒子化学性质稳定、与生物分子亲和力强、具有独特的局域表面等离子共振性质,在光学生物传感器方面备受关注,世界最小的纳米耳、肿瘤传感器等都已出现。当前,我们对黄金等金属纳米材料所呈现出的光学、电学和磁学等特殊性质的研究并不充分,随着基础研究的深入,它必将是支撑物联网时代和人类更美好生活的重要基石。