研究小組使用金色的棒棒糖觀察納米級(jí)難以捉摸的干擾效應(yīng)

原子中的電子非常有才華。它們可以形成化學(xué)鍵，被踢出原子，甚至根據(jù)其能量狀態(tài)“跳”到不同的位置。

1961年，原子物理學(xué)家烏戈·法諾(Ugo Fano)提出了電子具有另一種出乎意料的才能的理論：電子可以同時(shí)通過(guò)兩種不同的量子力學(xué)路徑來(lái)干擾自身。在一條路徑上，它們?cè)谠又g在離散的能量狀態(tài)之間跳躍。在另一條路徑上，它們跳離原子，進(jìn)入自由空間的連續(xù)區(qū)域。法諾研究電子束激發(fā)的氦氣的電子光譜后發(fā)展了他的理論。根據(jù)Fano的理論，氦原子中的電子正在通過(guò)兩種類型的能量躍遷移動(dòng)，一種是離散的，另一種是連續(xù)的，這通過(guò)它們的同步混合導(dǎo)致破壞性干擾。

盡管自Fano發(fā)表他的理論解釋(現(xiàn)在稱為Fano干擾)已經(jīng)過(guò)去了60年，但科學(xué)家們?nèi)栽谂Φ厥褂秒娮语@微鏡在納米級(jí)上觀察這種效應(yīng)。10月21日在《Physical Review Letters》上發(fā)表的一篇論文指出，由華盛頓大學(xué)和圣母大學(xué)的科學(xué)家領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)利用電子顯微鏡的最新進(jìn)展直接觀察了一對(duì)金屬納米顆粒中的Fano干擾。期刊的編輯。

華盛頓大學(xué)化學(xué)教授大衛(wèi)·馬西耶洛(David Masiello)表示：“法諾描述了在這些系統(tǒng)中可能發(fā)生的復(fù)雜的，甚至違反直覺(jué)的能量轉(zhuǎn)移類型。” “這就像在相鄰的秋千上有兩個(gè)孩子之間彼此耦合較弱：您推動(dòng)一個(gè)孩子，但是那個(gè)秋千不是移動(dòng)的那個(gè)。相反，另一個(gè)孩子的秋千由于這種干擾而移動(dòng)。這是單向的能量轉(zhuǎn)移。”

理論家Masiello與通訊作者，圣母大學(xué)化學(xué)與生物化學(xué)教授喬恩·卡姆登(Jon Camden)合作研究電子顯微鏡中的Fano干擾。在ACS Nano的2013年出版物中，他們中的兩個(gè)人以及西澳大學(xué)Masiello小組的成員認(rèn)為，它們可以在某些類型的等離子體納米結(jié)構(gòu)中引發(fā)Fano干擾。這些是可通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試的系統(tǒng)，通常由銀或金或類似的造幣金屬組成，在其中，電子可以很容易地動(dòng)員并響應(yīng)光或電子束而“激發(fā)”。

Masiello和Camden相信有可能設(shè)計(jì)和構(gòu)建一個(gè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)將使用納米級(jí)等離子體組件顯示Fano干擾。但是，要產(chǎn)生這種效果將需要極其精確的電子束，其中所有電子都具有大致相同的動(dòng)能。研究人員與橡樹(shù)嶺實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家Juan Carlos Idrobo合作。Oak Ridge擁有先進(jìn)的電子顯微鏡設(shè)備，包括該團(tuán)隊(duì)所需的單色像差校正的掃描透射電子顯微鏡。

Masiello說(shuō)：“這是電子顯微鏡的蘭博基尼，它代表了電子顯微鏡領(lǐng)域的最新和復(fù)雜的發(fā)展。” “這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)甚至在幾年前是不可能的。”

但是，設(shè)計(jì)和制造正確的等離激元系統(tǒng)對(duì)團(tuán)隊(duì)來(lái)說(shuō)也是一個(gè)挑戰(zhàn)。

“我們能否在電子顯微鏡中看到這種Fano干擾?” 比我們預(yù)期的要復(fù)雜得多。”卡姆登說(shuō)。“很早以前，我們意識(shí)到我們的團(tuán)隊(duì)提出的想法沒(méi)有用。但是最終，通過(guò)反復(fù)試驗(yàn)，我們把想法弄對(duì)了。”

Masiello的團(tuán)隊(duì)研究等離激元理論和電子顯微鏡理論。他們使用等離子體系統(tǒng)行為的分析模型來(lái)設(shè)計(jì)全等離子體系統(tǒng)的物理布局，并解釋其頻譜。該系統(tǒng)將對(duì)團(tuán)隊(duì)尋求的對(duì)顯微鏡散射電子的干擾效應(yīng)進(jìn)行編碼。第一作者和威斯康星大學(xué)物理學(xué)博士生凱文·史密斯(Kevin Smith)認(rèn)為“黃金棒棒糖”是最佳選擇。他設(shè)計(jì)的系統(tǒng)由一個(gè)直徑僅為650納米的薄金盤組成，它緊挨著但不接觸只有5,000納米長(zhǎng)的金納米棒。作為參考，這些納米棒中約20個(gè)(首尾相連)將等于一張紙的厚度。

根據(jù)史密斯(Smith)的理論設(shè)計(jì)和數(shù)學(xué)分析，指向棒棒糖金色圓盤外側(cè)的電子束會(huì)觸發(fā)Fano 干擾的明顯跡象：遙遠(yuǎn)的桿內(nèi)的電子將開(kāi)始振蕩，僅通過(guò)圓盤驅(qū)動(dòng)。

史密斯說(shuō)：“這正是我們?cè)谙饦?shù)嶺(Oak Ridge)的合作者測(cè)試該系統(tǒng)時(shí)所觀察到的。”

該團(tuán)隊(duì)的成功不僅證明可以使用電子束直接在等離子體系統(tǒng)中激發(fā)Fano干擾。它還提供了用于復(fù)雜電子顯微鏡的新理論框架和模型，例如Oak Ridge實(shí)驗(yàn)室中的設(shè)施。

Masiello說(shuō)：“這些類型的電子顯微鏡具有令人興奮的精確度。” “這為諸如此類的更多實(shí)驗(yàn)打開(kāi)了大門-將原子尺度的空間分辨率與從可見(jiàn)光譜到遠(yuǎn)紅外的高光譜分辨率結(jié)合在一起。”