化學(xué)好學(xué)嗎？光纖探針可以看到分子鍵！在《復(fù)仇者聯(lián)盟3》中，托尼·斯塔克警告斯科特·朗，把他送進(jìn)量子領(lǐng)域，再把他帶回來(lái)，將是“十萬(wàn)分之一的宇宙僥幸”。

實(shí)際上，將光束縮小到一個(gè)納米大小的點(diǎn)來(lái)監(jiān)視量子尺度光與物質(zhì)的相互作用并獲取信息并不容易。現(xiàn)在，加州大學(xué)河濱分校工程師們已經(jīng)開發(fā)出一種新技術(shù)，可以以前所未有的效率將光引入量子領(lǐng)域。

發(fā)表在《自然·光子學(xué)》上的研究中，由化學(xué)與環(huán)境工程助理教授嚴(yán)如雪(音譯)和電子與計(jì)算機(jī)工程助理教授劉明(音譯)領(lǐng)導(dǎo)的一個(gè)團(tuán)隊(duì)描述了世界上第一個(gè)便攜式、廉價(jià)的光學(xué)納米鏡工具，該工具集成了玻璃光纖和銀納米線聚光鏡。該設(shè)備是一個(gè)高效的雙向光隧道，將可見光擠壓到聚光器的最頂端，與局部分子相互作用，并發(fā)回信息，這些信息可以解讀和可視化這個(gè)難以捉摸的納米世界。顯微鏡放大物體細(xì)節(jié)的能力受到光的波長(zhǎng)限制，如果你曾經(jīng)在科學(xué)課上使用光學(xué)顯微鏡。

你可能會(huì)學(xué)到，一個(gè)物體只能被放大2000倍，然后所有的東西都變得模糊。這是因?yàn)闊o(wú)論你的顯微鏡有多先進(jìn)，都不可能分辨出比光波長(zhǎng)一半還細(xì)的特征——遠(yuǎn)場(chǎng)可見光的波長(zhǎng)只有幾百納米。與遠(yuǎn)場(chǎng)波不同，近場(chǎng)波只存在于離光源很近的地方，不受這一規(guī)律的控制。但它們不是自愿旅行的，很難利用或觀察。自20世紀(jì)20年代以來(lái)，科學(xué)家們一直認(rèn)為，讓光通過(guò)金屬薄膜上的小孔會(huì)產(chǎn)生近場(chǎng)波，這些波可以轉(zhuǎn)換成可探測(cè)到的光，但第一個(gè)成功的原型直到半個(gè)世紀(jì)后才制造出來(lái)。

諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)得主埃里克貝齊格(Eric Betzig)在成像性能和可靠性方面對(duì)早期原型做出了重大改進(jìn)。從那時(shí)起，近場(chǎng)掃描光學(xué)顯微鏡，即眾所周知的技術(shù)，被用來(lái)揭示許多化學(xué)、生物和材料系統(tǒng)的納米級(jí)細(xì)節(jié)。不幸的是，又過(guò)了將近半個(gè)世紀(jì)，這種技術(shù)仍然很深?yuàn)W，很少有人使用。通過(guò)一個(gè)比人類一根頭發(fā)直徑小1000倍的針孔發(fā)出光可不是件容易的事。只有百萬(wàn)分之一的光子或光粒子能通過(guò)針孔到達(dá)你想看到的物體。買一張單程票已經(jīng)很有挑戰(zhàn)性了，一張能帶回有意義信號(hào)的往返機(jī)票幾乎是白日做夢(mèng)。

科學(xué)家們已經(jīng)做出了不懈的努力來(lái)提高這個(gè)機(jī)會(huì)，雖然目前最先進(jìn)的探測(cè)器只能讓1000個(gè)光子中的一個(gè)到達(dá)目標(biāo)，但加州大學(xué)河濱分校的設(shè)備卻能將一半的光子送到目標(biāo)尖端。設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是兩步連續(xù)聚焦過(guò)程，在第一步中，當(dāng)遠(yuǎn)場(chǎng)光沿著逐漸變薄的光纖傳播時(shí)，其波長(zhǎng)在不改變頻率的情況下緩慢增加。當(dāng)它與位于光纖頂部的銀納米線中電子密度波的波長(zhǎng)相匹配時(shí)，嘭！所有的能量都轉(zhuǎn)移到電子密度波上，并開始在納米線的表面移動(dòng)，在聚焦過(guò)程的第二步中，波在尖端逐漸凝聚成幾納米。

進(jìn)行這項(xiàng)研究的博士生桑貢金(Sanggon Kim)解釋說(shuō)：加州大學(xué)河濱分校(UC Riverside)這個(gè)裝置是一根小小的銀針，尖端有光，有點(diǎn)像哈利波特(Harry Potter)的魔杖，能照亮一小塊區(qū)域。金姆利用該設(shè)備繪制出分子振動(dòng)的頻率，從而可以分析分子中原子間的化學(xué)鍵。這就是所謂的尖端增強(qiáng)拉曼光譜成像。近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡是最具挑戰(zhàn)性的分支，因?yàn)樗幚矸浅Ｎ⑷醯男盘?hào)。它通常需要龐大，百萬(wàn)美元的設(shè)備集中光和繁瑣的準(zhǔn)備工作，以獲得超分辨率圖像。

有了這個(gè)新裝置，Kim在一個(gè)簡(jiǎn)單的便攜式設(shè)備上實(shí)現(xiàn)了1納米的分辨率。這項(xiàng)發(fā)明可能是一個(gè)強(qiáng)大的分析工具，有望向納米科學(xué)各學(xué)科的研究人員揭示一個(gè)新的信息世界。將光纖納米線組件與尖端增強(qiáng)的拉曼光譜和掃描隧道顯微鏡結(jié)合起來(lái)，能夠以簡(jiǎn)單而優(yōu)雅的設(shè)置收集高分辨率的化學(xué)圖像，使該工具處于光學(xué)成像和光譜學(xué)的前沿。該研究團(tuán)隊(duì)為這一成就及其對(duì)化學(xué)研究的影響感到自豪，更感到鼓舞的是，它在生物和材料研究等廣泛領(lǐng)域的潛在應(yīng)用，將進(jìn)一步推動(dòng)科學(xué)進(jìn)步。

博科園｜研究/來(lái)自：加州大學(xué)河濱分校

參考期刊《自然光子學(xué)》

DOI: 10.1038/s41566-019-0456-9

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