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激光技术将科研带入纳米领域

2015/2/3 9:05:35来源:本站原创 【字体:

导 读:未来的光学芯片需要能够与其他组件一起被整合到硅平台上的微米级或者纳米级激光器,而由卷起的半导体材料制成的管状激光器是最有希望的“候选”。
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未来的光学芯片需要能够与其他组件一起被整合到硅平台上的微米级或者纳米级激光器,而由卷起的半导体材料制成的管状激光器是最有希望的“候选”。

  不过,目前演示过的管状激光器是光泵式而非电注入式,其所需的额外光源会占用芯片上的空间。现在,加拿大麦吉尔大学的研究团队利用普通的铟镓砷磷(InGaAsP)研制出了首个电注入式微型管状激光器,长100微米,直径5微米,刚刚在人眼可见范围内。其有望整合到光学芯片上,未来可作为光学通信技术的光源使用。

  随着激光技术的持续发展,作为先进的光源工具,将科研带入微米或者纳米级别,揭开了科研领域新篇章。

  1、激光捕捉金纳米粒子聆听微观世界

  激光捕捉到60纳米宽的金粒子,沉浸在水中,周围是其他类似物质。然后,用另一束激光加热其他的纳米粒子,测量第一种粒子会有多大的响应运动。

  要听到小于一定尺寸的任何东西,通常都是很难做到的。但如果你有“纳米耳”,就不会这样。这种耳是微观黄金粒子,被激光束捕捉,可以辨别的声音比人类通常可以听到的,要弱一百万倍。

  声波产生,是因为空气被压缩和解压,原因是压力波。测量这种压力,其实是测量空气分子的来回运动,这就会看到一种正弦波模式,正是这使声音有一个给定的频率。

  不过,要在微小的尺度测量声波,就需要一种方法,测量的运动也是在类似的小尺度,而且没有麦克风可以做到这一点。这正是金粒子和激光束可以做到的。

  激光束形成一副“光镊”,激光束用透镜聚焦,然后,这束激光就可以左右移动微小粒子。这是一个常见的方法,用于许多领域,可研究分子生物学。

  在这种情况下,光学物理学家约亨˙菲尔德们(JochenFeldmann)和他的同事们,在德国慕尼黑大学(UniversityofMunichinGermany)光子学和光电子组,捕捉到60纳米宽的金粒子,采用的就是激光。金粒子沉浸在水中,周围是其他类似物质。然后,科学家们用另一束激光加热其他纳米粒子,测量第一种粒子会有多少运动,进行响应。

  2、基于纳米光子驻波阵列实现高通量的光学捕获

  光学捕获是一种功能强大的新型测量方法,它使得单分子生物物理测量成为可能。然而,现阶段以激光为基础的工具,在特定时间内完成对于单个分子的操纵仍然局限重重。

  美国康奈尔大学物理学院原子与固体物理实验室Soltani等研究人员,正在尝试构建一个基于纳米光子驻波阵列的全新技术平台,使其能够通过芯片实现高通量的光学捕获。在芯片的流体俘获区域,裸露的波导可以在驻波渐逝场的波腹区域形成一个稳定的光学陷阱。

  该装置使激光束得以回收利用,从而在不增加激光功率的情况下,形成一系列光学陷阱。其中,一个集成的电子微型加热器负责控制诱捕阵列的重新定位。研究人员通过排序被停滞在两个被困珠间的单个DNA分子,展现出该平台可以对单一生化反应开展高通量分析的光明前景,并阐明了该研究平台的卓越性能。

  3、世界首个由石墨烯和碳制成的等离激子纳米激光器

  科学家设计出了世界首个由石墨烯和碳制成的等离激子纳米激光器(spaser)。 他们声称这种spaser非常小,将用于打印可附着在T恤或其他衣物上的极小的微芯片,也可以用于为手机供电。 这种技术中的电流甚至可以用来瞄准和杀死人体内的癌细胞。

  该研究的领导者、澳大利亚墨尔本莫纳什大学电气和计算机系统工程系的恰纳卡·鲁帕辛哈说:“其他spaser由金、银纳米颗粒和半导体量子点组成。而我们的设备将由石墨烯谐振器和碳纳米管增益元件组成。使用碳意味着,我们的spaser更结实、更柔韧,能在高温下工作,且不会破坏生态环境。由于有这些特性,未来有望将极薄的手机印在衣服上。”

  目前,人们用spaser来将微处理器、存储器和显示器变得更小,更便携。 用石墨烯和碳纳米管制成的新spaser,强度是钢的100多倍,它也是比铜更好的导体。它还能承受极高的温度。

  石墨烯和碳纳米管之间可以通过光来传输能量,因此可用于制造微芯片的高科技替代品。 鲁帕辛哈说:“由于具有突出的机械、电气和光学性能,石墨烯和碳纳米管可以用于制造坚韧、轻薄、传导和热稳定性好的材料。”

  研究人员希望这种新spaser能在癌症研究中成为杀死癌细胞的新方法,因为这种spaser产生的电磁场能在不伤及健康细胞的情况下杀死癌细胞。

  4、激光纳米诊断方法可以检测癌症早期病状

  俄罗斯西伯利亚科学分院热物理研究所的科研人员通过研究,找到了一种激光纳米诊断方法,可通过对尿液的检测发现癌症的早期病状。

  据研究人员介绍,该方法最早源于通过间接测量相关蛋白质的流体力学尺寸,分析血红细胞沉降速度的实验中。在此实验过程中,研究人员找到了一种借助于激光光谱仪测量蛋白质流体力学尺寸的方法,但不是用在对血浆的检测,而是用于尿液,因为纳米粒子能够适用于各种液体中。

  通过采用激光光谱仪检测尿液中相关蛋白质流体力学尺寸的实验,研究人员发现了何种尺寸属于正常范围,何种尺寸预示着癌症病症的规律。这种诊断方法通过医院的临床测试,准确率超过了85%。目前,研究人员已致力于研制适于民用的小型检测仪,未来该检测仪有望进入普通人家庭,成为一种适于广泛推广的癌症早期检测技术,届时,人们在家中即可完成早期癌症病状的检测。

        5、澳大利亚科学家打造纳米线激光

  澳大利亚科学家日前表示未来的电脑电路将在三维尺度下制造,采用光线而不是电运转。提出这一设想,源自于澳大利亚国立大学的一组纳米技术学家取得的一项研究成果。他们成功利用直径只有十亿分之几米的纳米线产生激光。他们指出这项研究成果是在朝着制造未来电脑芯片的道路上迈出的关键一步。

  研究论文主执笔人、澳大利亚国立大的博士生德赫鲁夫·赛克斯纳指出制造使用光线的电脑电路拥有很多优势。他说:“光线的传输速度远远超过电子。也就是说,我们可以制造速度更快的电脑,尺寸更小并且能效更高的芯片。如果我们利用纳米线和光线,就可以在三维尺度下制造电路,利用光线的相互连接在层与层之间传输信息,进而打造更紧凑,速度更快的处理器。”

  研究人员指出这种微型激光还可以用于制造超灵敏光学传感器和近场光学显微镜。澳大利亚国立大学的研究人员取得的主要突破是找到了一种使用砷化镓制造微型线路的方式。这种线路可以在室温环境下工作。研究过程中,他们将微小的金颗粒沉淀在一个表面上,而后在存在含有镓和砷的气体情况下将金颗粒加热到750摄氏度。


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