研究小組使用金色的棒棒糖觀察納米級難以捉摸的干擾效應

原子中的電子非常有才華。它們可以形成化學鍵，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：電子可以同時通過兩種不同的量子力學路徑來干擾自身。在一條路徑上，它們在原子之間在離散的能量狀態(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兩種類型的能量躍遷移動，一種是離散的，另一種是連續(xù)的，這通過它們的同步混合導致破壞性干擾。

盡管自Fano發(fā)表他的理論解釋(現(xiàn)在稱為Fano干擾)已經(jīng)過去了60年，但科學家們仍在努力地使用電子顯微鏡在納米級上觀察這種效應。10月21日在《Physical Review Letters》上發(fā)表的一篇論文指出，由華盛頓大學和圣母大學的科學家領導的團隊利用電子顯微鏡的最新進展直接觀察了一對金屬納米顆粒中的Fano干擾。期刊的編輯。

華盛頓大學化學教授大衛(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)生的復雜的，甚至違反直覺的能量轉移類型。” “這就像在相鄰的秋千上有兩個孩子之間彼此耦合較弱：您推動一個孩子，但是那個秋千不是移動的那個。相反，另一個孩子的秋千由于這種干擾而移動。這是單向的能量轉移。”

理論家Masiello與通訊作者，圣母大學化學與生物化學教授喬恩·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，他們中的兩個人以及西澳大學Masiello小組的成員認為，它們可以在某些類型的等離子體納米結構中引發(fā)Fano干擾。這些是可通過實驗測試的系統(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員并響應光或電子束而“激發(fā)”。

Masiello和Camden相信有可能設計和構建一個系統(tǒng)，該系統(tǒng)將使用納米級等離子體組件顯示Fano干擾。但是，要產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能。研究人員與橡樹嶺實驗室的科學家Juan Carlos Idrobo合作。Oak Ridge擁有先進的電子顯微鏡設備，包括該團隊所需的單色像差校正的掃描透射電子顯微鏡。

Masiello說：“這是電子顯微鏡的蘭博基尼，它代表了電子顯微鏡領域的最新和復雜的發(fā)展。” “這項實驗甚至在幾年前是不可能的。”

但是，設計和制造正確的等離激元系統(tǒng)對團隊來說也是一個挑戰(zhàn)。

“我們能否在電子顯微鏡中看到這種Fano干擾?” 比我們預期的要復雜得多。”卡姆登說。“很早以前，我們意識到我們的團隊提出的想法沒有用。但是最終，通過反復試驗，我們把想法弄對了。”

Masiello的團隊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)行為的分析模型來設計全等離子體系統(tǒng)的物理布局，并解釋其頻譜。該系統(tǒng)將對團隊尋求的對顯微鏡散射電子的干擾效應進行編碼。第一作者和威斯康星大學物理學博士生凱文·史密斯(Kevin Smith)認為“黃金棒棒糖”是最佳選擇。他設計的系統(tǒng)由一個直徑僅為650納米的薄金盤組成，它緊挨著但不接觸只有5,000納米長的金納米棒。作為參考，這些納米棒中約20個(首尾相連)將等于一張紙的厚度。

根據(jù)史密斯(Smith)的理論設計和數(shù)學分析，指向棒棒糖金色圓盤外側的電子束會觸發(fā)Fano 干擾的明顯跡象：遙遠的桿內的電子將開始振蕩，僅通過圓盤驅動。

史密斯說：“這正是我們在橡樹嶺(Oak Ridge)的合作者測試該系統(tǒng)時所觀察到的。”

該團隊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。它還提供了用于復雜電子顯微鏡的新理論框架和模型，例如Oak Ridge實驗室中的設施。

Masiello說：“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驗打開了大門-將原子尺度的空間分辨率與從可見光譜到遠紅外的高光譜分辨率結合在一起。”