En introduktion til nanofotonik

Luk øjnene i fem sekunder. Hvad ser du? Åbn nu øjnene igen. Hvad ser du? Svaret er enkelt: let.

Du finder måske ud af, at lys er en grundlæggende eksistens i livet, og at der ikke er noget, et menneske muligvis kan gøre med hans blotte hænder for at gribe ind i det. Alligevel har forskere og forskere undersøgt lysets art og hvordan man ikke kun kan observere, men også manipulere og konstruere lys i de sidste hundrede år og føde et felt kendt som nanofotonik.

Så ... hvad er nanofotonik?

Tænk på nanofotonik som studiet af forståelse og teknisk lys i en meget, meget lille skala eller også kendt som en nanometerskala. Da vores menneskelige hjerner ikke er særlig gode til at konceptualisere, hvor lille et nanometer er, lad os sætte tingene i perspektiv: Det gennemsnitlige menneskelige hoved har omkring 100.000 hårsækker, og hver hårsæk kan vokse 20 hår. Hurtig matematik, i alt kan du have 100.000 gange 20 svarer til to millioner hårstrenge. Et nanometer er i det væsentlige en hundredeedel af et menneskehår eller 1/200 millioner af dit hoved!

På den anden side henviser ordet fotonik i nanofotonik dybest set til fotoner, lysets byggesten.

Det, der virkelig er interessant ved nanofotonik, er ved at forstå, hvordan disse fotoner opfører sig på et nanoskala, vi kan begynde at kontrollere og manipulere deres interaktioner, give anledning til geniale opfindelser, såsom en bedre måde til kræftafbildning eller en potentiel løsning til rumtemperatur kvantecomputere!

Lige siden Richard Feymanns annoncerede foredrag i 1959 har forskere og videnskabsfolk undersøgt, hvordan når lyset først er skubbet ned i en nanometer skala, kan ulige opførsler opstå og udfordre den måde, vi opfatter vores fysiske verden på. Ved at afmystificere disse underlige opførsler kan vi have magten til at bryde grænserne for den nuværende teknologi og skabe overlegne fotoniske enheder.

Hvordan nanofotonik kan påvirke vores verden!

Kvanteoptik

Muligheden for nanoskala kvanteoptik ligger i at udvikle komponenter til kvantekommunikation og kvanteberegning. Kvantekryptografi er videnskaben med at bruge kvantemekaniske egenskaber til at udføre kryptografiske opgaver og giver en iboende sikker og uknuselig kode. Det er faktisk blevet demonstreret både i og uden for laboratoriet op til beskedne videohastigheder og over beskedne afstande (omkring titalls km!).

På den anden side er kvanteberegning kun blevet demonstreret i laboratoriet ved anvendelse af komplicerede systemer ved drift ved lavvakuumtemperatur. Og potentialet i kvantecomputere er enormt! Disse computere lover en eksponentiel fremskyndelse af vigtige processer, så de kan have massiv parallel beregning for at løse vigtige problemer.

Hvad der er fascinerende er at nanofotonik kan hjælpe med at aktualisere disse teknologier ved at gøre dem let tilgængelige til drift af stuetemperatur! Faktisk udviklede forskere ved MIT for nylig en ny fotonisk enhed ved hjælp af en siliciumkrystall med særskilte mønstre ætset i den for at muliggøre foton-foton-interaktioner ved stuetemperatur.

Fotonisk enhed

I kvantecomputere er der en mærkelig fysisk egenskab kaldet superposition, hvor en kvantepartikel kan optage to modstridende tilstande på samme tid. For eksempel kan spin eller magnetisk orientering i rummet for en elektron være op og ned på samme tid. Tilsvarende kan polarisationen af ​​en enkelt foton være vandret og lodret på samme tid. Hvis en streng qubits (kvanteanalogen til bit til klassiske computere) er i superposition, kan den canvassere løsninger på et problem samtidig, hvilket fører til løftet om utrolige speedups.

Da protoner ikke er modtagelige for interaktion med miljøet, er de gode til at opretholde superposition, men af ​​samme grund er de vanskelige at kontrollere. Det er her den fotoniske enhed kommer ind: Hvis en enkelt foton kommer ind i deres enhed, vil den passere uhindret. Men hvis to fotoner - i den rigtige kvantetilstand - forsøger at indtaste enheden, reflekteres de tilbage. Således kan kvantetilstanden for en proton betragtes som styrende kvantetilstanden for de andre.

Fotoniske nanomaterialer

Et andet spændende eksempel på fotoniske nanomaterialer er kvanteprikker (QD'er). Tænk som kvantepunkter som utroligt lille stof, der er koncentreret i en enkelt prik, som navnet antyder. Med andre ord, hvis du indstiller begrænsningerne for et nanomateriale, lægger det i en imaginær kasse og begrænser det i alle tre dimensioner, får du en sfære, der spænder over et par nanometer.

Således er kvantepunkt et symbol på en sådan sfære inden for nanoteknologi og er nul-dimensionel. De er sammensat af halvledende materialer såsom silicium eller Cd, hvilket betyder, at de hverken strengt taget er en isolator eller leder, men kemisk opfører sig som begge dele. På grund af deres atomlignende opførsel bruges QD'er ofte til specielle optiske egenskaber, der kan anvendes til fremstilling af optiske sonder til biologisk og medicinsk billeddannelse.

En lovende anvendelse af QD'er er, at de kan revolutionere den måde, vi diagnosticerer og behandler kræft i dag. QD molekylær billeddannelse introducerer en ny måde at se biologiske processer på arbejde i celler og i små dyr i realtid, hvilket i sig selv er en utrolig bedrift.

Kvantepunkter, der udsender forskellige bølgelængder, er synlige efter injektion i en mus.

For at sætte tingene i perspektiv, lad os konceptualisere størrelsen af ​​det menneskelige genom - vores kogebog i vores liv. Mennesker har cirka 40.000 gener. En stor gruppe af disse gener fungerer på hvert eneste øjeblik, i hver celle i vores krop, på meget komplicerede måder. Som Weiss, en forsker ved Jonsson Cancer Center og UCLA, har udsøgt beskrevet:

”Ved at farve, der koder for en undergruppe af proteiner i cellen med forskellige farvekvantepunkter, kan vi følge molekylkredsløb, den dynamiske omlægning af molekylære interaktioner og interaktioner, der omprogrammerer celler til at få og miste funktion i sygdom - kort sagt overvåge 'molekylær dans', der definerer livet selv. ”

En repræsentation af kvantepunktsbaseret cytometri til enkeltcelleafbildning til bestemmelse af brystcancertyper. Biopsierede væv eller primære celler fra brysttumorer blev behandlet med fire forskellige kvanteprik-biomarkører (EGFR1, HER2, ER og PR) -konjugater og eksiteret af UV-lys.

En lignende teknik kan bruges til kræftpatienter, der kan injiceres med en cocktail med QD'er, der "mærker" kræftceller. Når de først er samlet på tumorstedet, kunne de positroner, der udsendes fra QD'erne, afbildes med PET-scanner, hvilket indikerer tilstedeværelsen og placeringen af ​​en tumor. En "optisk stregkode" af de forskellige farvede qdots kunne hjælpe lægerne med at identificere tumortype og -stadium ved at lade dem se forskellige niveauer af forskellige tumormarkører. QDs-billeddannelse kan potentielt erstatte den lange og dyre proces med, hvordan vi i øjeblikket behandler kræft i dag!

Lysets supermakter: Virtuelle fotoner

I klassisk mekanik beskrives lys som koblede elektriske og magnetiske felter, der forplantes gennem rummet som en bevægende bølge.

Denne bølgeteori er imidlertid ikke tilstrækkelig til at forklare egenskaberne ved lys ved meget lave intensiteter eller ved en nanoskala. Således har mennesker henvendt sig til kvanteteori, der beskriver lys som bestående af diskrete energipakker, kendt som fotoner.

Idet lys opfører sig som både bølger og partikler, har fysikere fusioneret disse to klassiske teorier og introduceret en mere omfattende en, ofte kendt som kvanteelektrodynamik (QED).

Lad os nedbryde det og trin for trin forstå, hvad QED taler om!

I klassisk mekanik bliver vi opmærksomme på feltkræfter, såsom gravitationskraft eller elektromagnetisk kraft. Den vigtigste ting, vi er nødt til at forstå, er, at disse felter bærer kræfter på objektet og får det til at accelerere. For eksempel har jorden et tyngdefelt, der får æblet til at opleve en tyngdekraft nedad og falde fra træet.

Kvanteteori omdefinerer disse feltkræfter ved at beskrive kræfter som interaktioner mellem partikler. I stedet for at styrke medieres af lys, antog Richard Feynman, at det er medieret af noget, der kaldes virtuelle fotoner.

I Chalmers-forskernes eksperimenter spretter virtuelle fotoner et “spejl”, der vibrerer med en hastighed, der er næsten lige så høj som lysets hastighed. Det runde spejl på billedet er et symbol, og under det er den kvanteelektroniske komponent (kaldet en SQUID), der fungerer som et spejl. Dette får virkelige fotoner til at vises (i par) i vakuum

Nu er disse virtuelle partikler faktisk ganske interessante: De er i stand til at komme ind og ud af eksistensen i korte øjeblikke. På grund af denne egenskab betragtes de som virtuelle, da de ikke eksisterer med den samme varighed som almindelige partikler, som sminke betyder noget. Når disse virtuelle partikler interagerer med ladede partikler, som fotoner eller elektroner, får de disse partikler til at sprænge og ændre retning, som om de var påvirket af en styrke. Kort sagt erstattes kraft af interaktioner mellem virtuelle og reelle partikler.

Selvom det lyder helt absurd, at en partikel kan poppe ud af intetsteds, kan virtuelle partikler forklare mange fænomener i nanoskala-fotonik.

Casimir-Polder-effekt

Først Casimir-Podler-effekten, der dybest set henviser til tiltrækningen mellem to objekter, hvis de kommer inden for 100 nm fra hinanden. De to genstande blev placeret i et vakuum, der indeholder tom plads.

Overraskende er det tomme rum imidlertid ikke rigtigt tomt. Det svirrer og koges med noget, der er kendt som kvantefluktuationer, og sommetider spytter par "virtuelle" elementære partikler ud. Tænk på det som bølger af partikler der vises og forsvinder hele tiden. Disse virtuelle partikler ødelægger og forsvinder tilbage i kvantevakuumet så hurtigt, at den tilsyneladende krænkelse af energibesparelse, der opstår ved deres oprettelse, ikke kan observeres direkte.

Stærk Casimir kraftreduktion gennem metallisk overflade nanostrukturering

Selvom praktiske anvendelser af Casimir-effekterne ikke er fundet, er det vigtigt for MEMS-forskere og producenter at huske på at designe effektive nanoskalaenheder, som vi bruger i, siger computerchips, i dag!

Optisk binding

En anden vigtig måde at kontrollere lys på er gennem optisk binding. Når to vægge af nanopartikler interagerer med en plan bølge, forekommer den optiske bindekraft. Som et resultat bliver placeringen af ​​de to nanopartikler faste.

Hvad der sker, er en potentiel brønd, der fanger flere nanopartikler og gør strukturen mere stabil. Sammenlignet med mikroskala partikler kræves stærkere fældekræfter for at overvinde de termiske kræfter til fin kontrol af genstande på nanoskalaen. Således har optisk binding potentielle anvendelser til fældning af små partikler og samling af nanostrukturer.

Key takeaways

  • Nanophotonics er studiet af forståelse og teknisk lys i nanometer skala.
  • Ved at forstå, hvordan disse fotoner opfører sig på en nanoskala, kan vi begynde at kontrollere og manipulere deres interaktioner, hvilket fører til opfindelser som en ny måde til kræftdiagnose og -behandling eller fotonisk kvanteberegning.
  • Kvanteelektrodynamik og virtuelle fotoner forklarer nogle vigtige opførsler af partikler på nanoskalaen. To eksempler er Casimir-effekten og den optiske binding, der spiller en vigtig rolle i MEMS-enheder.

Tak, fordi du læser min artikel, og lad mig vide, hvis du har nogen feedback!

Hvis du nyder denne artikel, så husk at dele den med dine venner, familie, kolleger og følg mig for fremtidige artikler!