Уводзіны ў нанафатонікі

Зачыні вочы на ​​пяць секунд. Што вы бачыце? Цяпер зноў адкрыйце вочы. Што вы бачыце? Адказ просты: лёгкі.

Магчыма, вы выявіце, што святло з'яўляецца асноватворным існаваннем у жыцці, і чалавеку нічога нельга зрабіць голымі рукамі, каб умяшацца ў яго. Тым не менш, даследчыкі і навукоўцы вывучаюць прыроду святла і як не толькі назіраць, але і маніпуляваць і інжыніраваць святло за апошнія сто гадоў, нараджаючы поле, вядомае як нанафатоніка.

Дык што ... што такое нанафатонікі?

Падумайце пра нанафатоніку як пра вывучэнне разумення і інжынернага святла ў вельмі і вельмі невялікім маштабе, альбо таксама вядомы як нанаметровая шкала. Паколькі нашы чалавечыя мазгі не вельмі добра разумеюць, наколькі маленькі нанаметр, давайце разбярэмся ў разглядзе: у сярэдняй чалавечай галаве ёсць каля 100 000 валасяных фалікулаў, і кожны валасяны фалікул можа вырасціць 20 валасоў. Хуткая матэматыка, увогуле, вы можаце мець 100 000 разоў 20, што роўна два мільёны пасмаў валасоў. Нанаметр - гэта сотая частка чалавечых валасоў альбо 1/200 мільёна вашай галавы!

З іншага боку, слова фатоніка ў нанафатоніцы ў асноўным абазначае фатоны, будаўнічы блок святла.

Што на самай справе цікавае ў нанафатоніках, разумеючы, як гэтыя фатоны паводзяць сябе на нанамаштабе, мы можам пачаць кантраляваць і маніпуляваць іх узаемадзеяннямі, ствараючы геніяльныя вынаходніцтвы, такія як лепшы спосаб для выяўлення рака ці магчымае рашэнне для квантавых кампутараў з пакаёвай тэмпературай!

З таго часу, як у 1959 г. была абвешчана лекцыя Рычарда Феймана, даследчыкі і навукоўцы вывучалі, як толькі святло сціскаецца да нанаметровага маштабу, можа адбывацца няцотнае паводзіны і цалкам аспрэчваць тое, як мы ўспрымаем наш фізічны свет. Дэмістыфікуючы гэтыя дзіўныя паводзіны, мы можам пераадолець межы сучасных тэхналогій і стварыць цудоўныя прылады фатонікі.

Як нанафатоніка можа паўплываць на наш свет!

Квантавая оптыка

Магчымасць квантавай оптыкі ў нанамаштабе складаецца ў распрацоўцы кампанентаў квантавай сувязі і квантавых вылічэнняў. Квантавая крыптаграфія - гэта навука выкарыстання квантавых механічных уласцівасцей для выканання крыптаграфічных задач і забяспечвае ўласна бяспечны і непарушны код. Фактычна гэта было прадэманстравана як у лабараторыі, так і звонку, аж да сціплай хуткасці відэа і на невялікіх адлегласцях (каля дзясяткаў км!).

З іншага боку, квантавыя вылічэнні былі прадэманстраваны толькі ў лабараторыі з выкарыстаннем складаных сістэм пры працы пры нізкай вакуумнай тэмпературы. І патэнцыял квантавых кампутараў велізарны! Гэтыя кампутары абяцаюць экспанентнае паскарэнне важных працэсаў, што дазваляе ім праводзіць маштабныя паралельныя вылічэнні для вырашэння важных праблем.

Займальна: нанафатонікі могуць дапамагчы рэалізаваць гэтыя тэхналогіі, робячы іх даступнымі для працы пры пакаёвай тэмпературы! На самай справе, нядаўна навукоўцы з MIT распрацавалі новы фатонны прыбор, які выкарыстаў крышталь крэмнія з характэрнымі ўзорамі, выгравіраванымі ў ім, каб забяспечыць узаемадзеянне фатон-фатон пры пакаёвай тэмпературы.

Фатонная прылада

У квантавых кампутарах існуе дзіўная фізічная ўласцівасць, званая суперпазіцыяй, дзе квантавая часціца можа займаць адначасова два супярэчлівых стану. Напрыклад, спін або магнітная арыентацыя электрона ў прасторы могуць быць адначасова ўверх і ўніз. Сапраўды гэтак жа палярызацыя аднаго фатона можа быць адначасова гарызантальнай і вертыкальнай. Калі радок кубітаў (квантавы аналаг біт для класічных кампутараў) знаходзіцца ў суперпазіцыі, яна можа адначасова рашаць праблему, што прыводзіць да абяцання неверагодных паскарэнняў.

Паколькі пратоны не адчувальныя да ўзаемадзеяння з навакольным асяроддзем, яны выдатна падтрымліваюць суперпазіцыю, але па той жа прычыне іх цяжка кантраляваць. Менавіта тут паступае фатонная прылада: калі адзін фотан уваходзіць у іх прыладу, ён пройдзе праз бесперашкоднае. Але калі два фатона - у правільным квантавым стане - паспрабуйце ўвесці прыладу, яны будуць адлюстраваны назад. Такім чынам, квантавы стан аднаго пратона можа разглядацца як кіраванне квантавым станам іншых.

Фатонныя нанаматэрыялы

Яшчэ адзін захапляльны прыклад фатонных нанаматэрыялаў - квантавыя кропкі (КТ). Як вынікае з назвы, разглядайце квантавыя кропкі як неверагодна малую матэрыю, канцэнтраваную ў адной кропцы. Іншымі словамі, калі вы ўсталюеце абмежаванні для нанаматэрыяла, змесціце яго ў ўяўнае поле і абмежавайце яго ва ўсіх трох вымярэннях, вы атрымаеце сферу, якая вагаецца ў некалькі нанаметраў.

Такім чынам, квантавая кропка з'яўляецца ўвасабленнем такой сферы ў галіне нанатэхналогій і мае нуль-мерны характар. Яны складаюцца з паўправадніковых матэрыялаў, такіх як крэмній або Cd, ​​што азначае, што яны не з'яўляюцца строга ізалятарам або праваднікам, але хімічна паводзяць сябе як абодва. Дзякуючы атамнаму паводзінам КД часта выкарыстоўваюцца для атрымання спецыяльных аптычных уласцівасцей, якія можна выкарыстоўваць для вырабу аптычных зондаў для біялагічнай і медыцынскай візуалізацыі.

Адно з перспектыўных прыкладанняў КТ заключаецца ў тым, што яны могуць зрабіць рэвалюцыю ў тым, як мы дыягнастуем і лечым рак сёння. Малекулярная тамаграфія QD прадстаўляе новы спосаб бачання біялагічных працэсаў на працы ў клетках і ў дробных жывёл у рэжыме рэальнага часу, што само па сабе з'яўляецца неверагодным подзвігам.

Квантовыя кропкі, якія выпраменьваюць розныя даўжыні хвалі, бачныя пасля ўвядзення мышы.

Каб пакласці рэчы ў перспектыву, давайце паглядзім на маштаб чалавечага геному - кулінарнай кнігі нашага жыцця. У людзей прыблізна 40 000 генаў. Вялікая група гэтых генаў дзейнічае кожны момант, у кожнай клетцы нашага цела, вельмі складана. Як Вайс, навуковы супрацоўнік Цэнтра рака Джонсана і UCLA, вытанчана апісаў:

"Каляруючы колер падмноства бялкоў у клетцы з рознымі каляровымі квантавымі кропкамі, мы можам прасачыць за малекулярнай схемай, дынамічнай перабудовай малекулярных узаемадзеянняў і ўзаемадзеянняў, якія перапраграмуюць клеткі, каб атрымаць і страціць функцыю пры хваробе - карацей кажучы, назіраць за "малекулярны танец", які вызначае само жыццё ".

Прадстаўленне квантовай кропкавай цытаметрыі візуалізацыі для вызначэння падтыпаў рака малочнай залозы. Биопсийные тканіны або першасныя клеткі ад пухлін малочнай залозы апрацоўваюць чатырма рознымі квантовымі кропкава-біямаркернымі (EGFR1, HER2, ER і PR) кан'югатамі і ўзбуджаюцца ультрафіялетам.

Аналагічная методыка можа быць выкарыстана для анкалагічных хворых, якім можна ўводзіць кактэйль QD, які "абазначае" ракавыя клеткі. Пасля таго, як яны сабраліся на месцы пухліны, пазітроны, якія выдзяляюцца з КТ, можна было б выявіць з дапамогай ПЭТ-сканера, які б паказваў на наяўнасць і месцазнаходжанне пухліны. "Аптычны штрых-код" розных колераў qdots можа дапамагчы лекарам вызначыць тып і стадыю пухліны, дазваляючы ім бачыць розныя ўзроўні розных онкомаркеров. Якасць QD можа патэнцыйна замяніць працяглы і дарагі працэс таго, як мы сёння лечым рак!

Супердзяржавы святла: віртуальныя фатоны

У класічнай механіцы святло апісваецца ў выглядзе злучаных электрычных і магнітных палёў, якія распаўсюджваюцца па прасторы, як дарожная хваля.

Аднак гэтая тэорыя хваль недастатковая, каб растлумачыць ўласцівасці святла пры вельмі нізкай інтэнсіўнасці альбо пры нанамаштабе. Такім чынам, людзі звярнуліся да квантавай тэорыі, якая апісвае святло як складаецца з дыскрэтных пакетаў энергіі, вядомых як фатоны.

Паколькі святло паводзіць сябе як хвалі, так і часціцы, фізікі аб'ядналі гэтыя дзве класічныя тэорыі разам і ўвялі больш вычарпальную, часта званую квантавай электрадынамікай (QED).

Давайце разбярэм яго і паэтапна разбярэмся, пра што кажа QED!

У класічнай механіцы мы ўсведамляем сілы поля, такія як сіла гравітацыі або электрамагнітная сіла. Галоўнае, што мы павінны разумець, гэта тое, што гэтыя палі прыкладаюць сілы на аб'ект, прымушаючы яго паскарацца. Напрыклад, на Зямлі ёсць гравітацыйнае поле, якое прымушае яблык адчуваць гравітацыйную сілу ўніз і падаць з дрэва.

Квантавая тэорыя перавызначае гэтыя сілы поля, апісваючы сілы як узаемадзеянне паміж часціцамі. Замест таго, каб сіла была апасродкавана святлом, Рычард Фейнман выказаў здагадку, што гэта апасродкавана чымсьці, званага віртуальнымі фатонамі.

У эксперыментах навукоўцаў Chalmers віртуальныя фатоны адскокваюць ад

Цяпер гэтыя віртуальныя часціцы на самай справе даволі цікавыя: яны здольныя ўвайсці і выбыць з-за кароткіх момантаў. Дзякуючы гэтай уласцівасці яны лічацца віртуальнымі, паколькі яны не існуюць з такой жа сталасцю, як звычайныя часціцы, якія маюць значэнне для макіяжу. Пасля таго, як гэтыя віртуальныя часціцы ўзаемадзейнічаюць з зараджанымі часціцамі, як фотаны ці электроны, яны прымушаюць гэтыя часціцы адскокваць і змяняць кірунак, як быццам на іх уздзейнічае сіла. Словам, сіла замяняецца ўзаемадзеяннем паміж віртуальнымі і рэальнымі часціцамі.

Хоць гэта і абсурдна гучыць у тым, што часціца можа вырвацца з ніадкуль, віртуальныя часціцы могуць растлумачыць мноства з'яў у нанамаштабнай фатоніцы.

Эфект Казіміра-Польдэра

Па-першае, эфект Казіміра-Падлера, які ў асноўным абазначае прыцягненне паміж двума аб'ектамі, калі яны будуць знаходзіцца ў межах 100 нм адзін ад аднаго. Абодва аб'екта былі змешчаны ў вакууме, які змяшчае пустое месца.

Дзіўна, аднак, пустая прастора на самай справе не пустая. Ён круціцца і закіпае чымсьці вядомым як квантавыя ваганні, час ад часу выплёўваючы пары "віртуальных" элементарных часціц. Падумайце пра гэта як пра хвалі часціц, якія ўвесь час з'яўляюцца і знікаюць. Гэтыя віртуальныя часціцы знішчаюцца і знікаюць назад у квантавым вакууме так хутка, што відавочнае парушэнне эканоміі энергіі, якое адбылося пры іх стварэнні, нельга назіраць непасрэдна.

Моцнае памяншэнне сілы Казіміра дзякуючы наноструктуры металічнай паверхні

Хоць практычнага прымянення эфектаў Казіміра не знайшлося, для даследчыкаў і вытворцаў MEMS важна памятаць, каб распрацаваць эфектыўныя прылады нанамаштабу, якія мы выкарыстоўваем сёння, скажам, у кампутарных чыпах!

Аптычнае звязванне

Яшчэ адзін важны спосаб кіравання святлом - праз аптычнае звязванне. Калі дзве сценкі наначасціц ўзаемадзейнічаюць з плоскай хваляй, адбываецца аптычная сіла звязвання. У выніку лакацыі дзвюх наначасцінак фіксуюцца.

З прычыны гэтага адбываецца патэнцыял, які захоплівае больш наначасціц і робіць структуру больш трывалай. У параўнанні з часціцамі мікрамасштабу, для пераадолення цеплавых сіл для тонкага кантролю аб'ектаў у нанамаштабе неабходныя больш моцныя сілы захопу. Такім чынам, аптычнае звязванне мае патэнцыяльнае прымяненне пры захопе дробных часціц і ў зборцы наноструктур.

Ключавыя вынасы

  • Нанафатоніка - гэта вывучэнне разумення і інжынернага святла ў нанаметровым маштабе.
  • Разумеючы, як гэтыя фатоны паводзяць сябе на нанамаштабе, мы можам пачаць кантраляваць і маніпуляваць іх узаемадзеяннем, што прывядзе да вынаходстваў, як да новага спосабу дыягностыкі і лячэння рака, альбо да квантовых вылічэнняў фатонаў.
  • Квантавая электрадынаміка і віртуальныя фатоны тлумачаць некаторыя важныя формы паводзін часціц на нанамаштабе. Два прыклады - эфект Казіміра і аптычнае звязванне, якія гуляюць важную ролю ў прыладах MEMS.

Дзякуй, што прачыталі мой артыкул і паведаміце мне, калі ў вас ёсць водгукі!

Калі вам падабаецца гэты артыкул, не забудзьцеся падзяліцца ім з сябрамі, сям'ёй, калегамі і сачыце за мной для будучых артыкулаў!