利用光纖探針可以看到分子鍵
在《復仇者聯盟：結局》中，托尼·斯塔克警告斯科特·朗要把他送回量子領域，將是「幾十億分之一的正確概率」。
事實上，將光束縮小到納米大小的點來監視量子尺度的光-物質相互作用，並檢索信息並不容易。現在，加利福尼亞大學河濱分校的工程師們已經開發出一種新技術，以前所未有的效率將光導入量子領域。
在一篇《自然光子Nature Photonics》雜誌論文中，由化學與環境工程助理教授嚴若雪（Ruoxue Yan）和電子與計算機工程助理教授劉明（Ming Liu）領導的團隊描述了世界上第一個將玻璃光纖與銀納米線電容器集成在一起的攜帶型、廉價的光學納米複製工具。該裝置是一個高效的往返光隧道，將可見光擠壓到冷凝器的最頂端，與局部分子相互作用，並發送回能夠破譯和可視化難以捉摸的納米世界的信息。
我們放大物體細節的能力受到光的波動性的限制。如果你在科學課上用過光學顯微鏡，你可能會學到，在一切變得模糊之前，一個物體只能放大2000倍。這是因為我們不可能分辨出任何比光波波長細一半的特徵——對於遠場可見光來說，只是幾百納米——不管顯微鏡有多先進。
與遠場波不同，近場波只存在於離光源非常近的地方，不受此規則的控制。但它們不是自發傳輸，很難使用或觀察。自20世紀20年代以來，科學家們一直認為，通過金屬薄膜上的一個小孔強迫光線會產生近場波，這些近場波可以轉換成可檢測到的光，但直到半個世紀後才製造出第一個成功的原型。
上世紀90年代初，2014年諾貝爾化學獎得主埃里克貝齊格(Eric Betzig)在成像性能和可靠性方面對早期原型做出了重大改進。從那時起，近場掃描光學顯微鏡，即眾所周知的技術，被用來揭示許多化學、生物和材料系統的納米級細節。不幸的是，又過了將近半個世紀，這種技術仍然很深奧，很少有人使用。
劉說：「把光穿過一個比一縷頭髮直徑小一千倍的小孔，這可不是小菜一碟。只有百萬分之幾的光子，或者光粒子，能通過針孔到達你想看到的物體。獲得一張單程票已經是一個挑戰；一張往返票，帶回來一個有意義的信號，幾乎是一個白日夢。」
科學家們為提高這個機會做了無數的努力。雖然目前最複雜的探測器只允許1000個光子中的一個到達物體，但加利福尼亞大學河濱分校的設備將一半的光子送到尖端。
「設計的關鍵是一個兩步順序聚焦過程，」Yan說。「在第一步中，當遠場光沿著逐漸變薄的光纖傳播時，其波長緩慢增加，而不改變其頻率。當它與位於光纖頂部的銀納米線中的電子密度波的波長匹配時，轟隆！所有的能量都轉移到電子密度波上，並開始在納米線的表面移動。」
在聚焦過程的第二步，波在尖端逐漸凝結成幾納米。
加州大學河濱分校進行這項研究的博士生Sanggon Kim解釋說，這種裝置是一種頂部有光線的銀色小針，「有點像哈利波特的魔杖，照亮了一個很小的區域。」
Kim利用這個裝置繪製出分子振動的頻率，這樣人們就可以分析將原子固定在分子中的化學鍵。這被稱為尖端增強拉曼光譜，或者針尖增強拉曼光譜成像。近場光學顯微鏡是近場光學顯微鏡中最具挑戰性的分支，因為它處理的是非常微弱的信號。它通常需要龐大的，百萬美元的設備集中光和冗長的準備工作，以獲得超解析度的圖像。
有了這個新設備，Kim在一個簡單的攜帶型設備上獲得了1納米的解析度。這項發明可能是一個強大的分析工具，它承諾向納米科學的所有學科的研究人員揭示一個新的信息世界。
「將光纖納米線組件與尖端增強拉曼光譜以及掃描隧道顯微鏡相結合，可以在一個簡單而優雅的裝置中收集高解析度化學圖像，使該工具處於光學成像和光譜的前沿。我們為這一成就及其對化學研究的影響感到驕傲。美國國家科學基金會化學分會副主任、負責這項研究的部分負責人Lin He說：「我們更受其在生物和材料研究等廣泛學科領域潛在應用的鼓舞。」
來源：https://phys.org/news/2019-06-fiber-optic-probe-molecular-bonds.html
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