《前沿 | 科学家在亚微观水平上突破了操纵光的界限》

  • 来源专题:光电情报网信息监测服务平台
  • 编译者: husisi
  • 发布时间:2023-03-06
  • 图:当有源区上的耦合仅占据谐振器体积一部分时,正交谐振器模式如何变为非正交的示意图

    Southampton大学领导的一个研究小组表明,光可以在小于自身波长的距离内移动,这是一个前所未有的精确水平。

    Southampton大学的科学家与德国Dortmund and Regensburg大学一起证明,光束不仅可以被限制在比自身波长小50倍的光点上,而且在这种类型的第一个光点中,光点可以在光被限制的地方移动极小的量。

    相关理论研究的详细结果发表在Optica上。

    在越来越小的体积上限制和控制光是现代光子学中的一个挑战;光的产生、探测和操纵背后的科学。光被限制的程度决定了纳米颗粒的可观测性的极限,以及基于光的设备的强度和精度。

    光镊就是一个例子。这些技术广泛应用于世界各地的实验室,如DNA研究领域。它们由高度聚焦的激光束组成,以惊人的精度捕获、操纵和移动粒子。标准光镊的一个限制是,透镜不能将光束聚焦在远小于激光束自身波长的长度上,从而限制了可实现的精度。

    研究作者量子、光和物质小组研究员Erika Cortese解释道,“从本质上讲,光确实很难在比波长更小的长度尺度上定位,这是一个被称为阿贝极限的临界阈值。然而,通过使用复杂的模型和数值模拟,我们成功地展示了一种在亚波长尺度上定位和动态操纵光的新方法。”

    研究人员说:“我们相信,我们主动控制受限电磁场的新方法可能会对多种纳米光子应用产生重大影响。”

    “展望未来,这可能会导致对包括生物颗粒在内的微米和纳米级物体的操纵,或者可能会大幅提高微观传感器的灵敏度分辨率。”

    科学家们希望,通过进一步的研究,他们最终能够为更先进的操纵技术开辟道路,例如生物、化学和软质研究中使用的纳米颗粒的分类和合理组装。

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    • 来源专题:光电情报网信息监测服务平台
    • 编译者:husisi
    • 发布时间:2023-12-12
    • 麻省理工学院的研究人员已经使用3D打印技术生产了自热微流体设备,展示了一种技术,该技术有朝一日可以用来快速创建廉价但准确的工具来检测许多疾病。 微流体是操纵流体并促进化学反应的微型机器,可用于检测微小血液或液体样本中的疾病。例如,Covid-19 的家用检测试剂盒包含一种简单类型的微流体。 但许多微流控应用需要必须在特定温度下进行的化学反应。这些更复杂的微流体装置通常在洁净室中制造,配备了由金或铂制成的加热元件,采用复杂且昂贵的制造工艺,难以扩大规模。 取而代之的是,麻省理工学院的团队使用多材料3D打印,通过单一的廉价制造工艺,制造出带有内置加热元件的自热微流体装置。他们制造的设备可以将流体加热到特定温度,因为它流经微型机器内部的微观通道。 他们的技术是可定制的,因此工程师可以创建一个微流体,将流体加热到设备特定区域内的某个温度或给定的加热曲线。低成本的制造工艺需要大约2美元的材料来生成即用型微流体。 该过程在为发展中国家的偏远地区创建自热微流体方面可能特别有用,在这些地区,临床医生可能无法获得许多诊断程序所需的昂贵实验室设备。 “特别是洁净室,你通常会在那里制造这些设备,建造和运行的成本非常高。但是我们可以使用增材制造制造出非常强大的自加热微流控器件,而且它们比这些传统方法更快、更便宜。这确实是使这项技术民主化的一种方式,“麻省理工学院微系统技术实验室的首席科学家路易斯·费尔南多·贝拉斯克斯-加西亚说,他是描述制造技术的论文的资深作者。 他与主要作者JorgeCañadaPérez-Sala一起撰写了这篇论文,他是一名电气工程和计算机科学研究生。该研究将在本月的PowerMEMS会议上发表。 绝缘体变导电 这种新的制造工艺利用了一种称为多材料挤出3D打印的技术,其中可以通过打印机的许多喷嘴喷出多种材料,以逐层构建设备。该过程是单片式的,这意味着整个设备可以在3D打印机上一步生产,而无需任何后期组装。 为了创造自热微流体,研究人员使用了两种材料 - 一种称为聚乳酸的可生物降解聚合物,通常用于3D打印,以及PLA的改良版本。 Velásquez-García解释说,改性PLA将铜纳米颗粒混合到聚合物中,将这种绝缘材料转化为电导体。当电流被馈入由这种掺铜PLA组成的电阻器时,能量会以热量的形式消散。 “当你想到它时,这很神奇,因为PLA材料是一种电介质,但是当你放入这些纳米颗粒杂质时,它会完全改变物理性质。这是我们还不完全理解的事情,但它发生了,而且是可重复的,“他说。 研究人员使用多材料3D打印机,用掺铜PLA制造加热电阻器,然后在一个打印步骤中直接打印出微流体装置,该装置具有流体可以流动的微观通道。由于这些组件由相同的基材制成,因此它们具有相似的打印温度并且兼容。 从电阻器散发的热量将加热流经微流体通道的流体。 除了电阻器和微流体外,他们还使用打印机添加一层薄而连续的PLA层,夹在它们之间。制造这一层尤其具有挑战性,因为它必须足够薄,以便热量可以从电阻传递到微流体,但又不能太薄,以至于流体可以泄漏到电阻器中。 由此产生的机器大约有美国四分之一的大小,可以在几分钟内生产出来。宽约500微米、高约400微米的通道穿过微流体,以携带流体并促进化学反应。 重要的是,PLA材料是半透明的,因此设备中的流体仍然可见。Velásquez-García解释说,许多过程依赖于可视化或使用光来推断化学反应过程中发生的事情。 可定制的化学反应器 研究人员使用这种一步式制造工艺来生成一个原型,当流体在输入和输出之间流动时,它可以将流体加热 4 摄氏度。这种可定制的技术可以使他们能够制造出以特定模式或沿特定梯度加热流体的设备。 “你可以用这两种材料来制造化学反应器,完全按照你的要求去做。我们可以设置特定的加热曲线,同时仍然具有微流体的所有功能,“他说。 然而,一个局限性来自这样一个事实,即PLA在开始降解之前只能加热到50摄氏度左右。许多化学反应,例如用于聚合酶链反应测试的化学反应,需要 90 度或更高的温度。为了精确控制设备的温度,研究人员需要集成第三种能够进行温度传感的材料。 除了在未来的工作中解决这些限制外,Velásquez-García还希望将磁铁直接打印到微流体装置中。这些磁铁可以实现需要对颗粒进行分类或对齐的化学反应。 与此同时,他和他的同事们正在探索使用其他可能达到更高温度的材料。他们还在研究PLA,以更好地了解为什么当某些杂质添加到聚合物中时,PLA会变得导电。 “如果我们能够理解与PLA导电性相关的机制,这将大大提高这些设备的能力,但它将比其他一些工程问题更难解决,”他补充道。 “在日本文化中,人们常说美在于简单。这种情绪与卡纳达和委拉斯开兹-加西亚的作品相呼应。他们提出的单片3D打印微流体系统体现了简单和美观,提供了我们预见到的未来的广泛潜在衍生和应用,“东京庆应义塾大学机械工程教授Norihisa Miki说,他没有参与这项工作。 “能够同时直接打印具有流体通道和电气特性的微流控芯片,在处理生物样品时开辟了非常成熟的应用,例如扩增生物标志物或驱动和混合液体。此外,由于PLA会随着时间的推移而降解,人们甚至可以想到芯片随着时间的推移而溶解和重新吸收的植入式应用,“瑞典KTH皇家理工学院副教授Niclas Roxhed补充道,他没有参与这项研究。 这项研究部分由Empirico公司和La Caixa的奖学金资助。
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    • 来源专题:光电情报网信息监测服务平台
    • 编译者:husisi
    • 发布时间:2022-02-14
    • 我国首次在超冷原子分子混合气中合成三原子分子 中国科学技术大学潘建伟、赵博等与中国科学院化学所白春礼小组合作,在超冷原子分子混合气中首次合成三原子分子,向基于超冷原子分子的量子模拟和超冷量子化学的研究迈出重要一步。该成果2月10日发表于《自然》。 量子计算和量子模拟具有强大的并行计算和模拟能力,不仅能够解决经典计算机无法处理的计算难题,还能有效揭示复杂物理系统的规律,从而为新能源开发、新材料设计等提供指导。利用高度可控的超冷量子气体来模拟复杂的难于计算的物理系统,可以对复杂系统进行精确的全方位研究,因而在化学反应和新型材料设计中具有广泛的应用前景。 从超冷原子和双原子分子混合气中利用射频场合成三原子分子的示意图 超冷分子将为实现量子计算打开新思路,并为量子模拟提供理想平台。但由于分子内部的振动转动能级复杂,通过直接冷却的方法来制备超冷分子非常困难。超冷原子技术的发展为制备超冷分子提供了一条新途径。人们可以绕开直接冷却分子的困难,从超冷原子气中利用激光、电磁场等来合成分子。从原子和双原子分子的混合气中合成三原子分子,是合成分子领域的重要研究方向。 中国科学技术大学研究小组在2019年首次观测到超低温下原子和双原子分子的Feshbach共振。在Feshbach共振附近,三原子分子束缚态的能量和散射态的能量趋于一致,同时散射态和束缚态之间的耦合被大幅度地共振增强。原子分子Feshbach共振的成功观测,为合成三原子分子提供了新机遇。 在该项研究中,中国科学技术大学研究小组和中国科学院化学所研究小组合作,首次成功实现了利用射频场相干合成三原子分子。在实验中,他们从接近绝对零度的超冷原子混合气出发,制备了处于单一超精细态的钠钾基态分子。在钾原子和钠钾分子的Feshbach共振附近,通过射频场将原子分子的散射态和三原子分子的束缚态耦合在一起。他们成功地在钠钾分子的射频损失谱上观测到射频合成三原子分子信号,并测量了Feshbach共振附近三原子分子的束缚能。这一成果为量子模拟和超冷化学的研究开辟了一条新道路。 我国科学家建立蛋白质从头设计新方法 中国科学技术大学刘海燕教授、陈泉副教授团队基于数据驱动原理,开辟出一条全新的蛋白质从头设计路线,在蛋白质设计这一前沿科技领域实现了关键核心技术的原始创新,为工业酶、生物材料、生物医药蛋白等功能蛋白的设计奠定了坚实的基础。相关成果北京时间2月10日发表于《自然》。 蛋白质是生命的基础,是生命功能的主要执行者,其结构与功能由氨基酸序列所决定。目前,能够形成稳定三维结构的蛋白质,几乎全部是天然蛋白质,其氨基酸序列是长期自然进化形成。在天然蛋白结构功能不能满足工业或医疗应用需求时,想要得到特定的功能蛋白,就需要对其结构进行设计。近年来,国际上蛋白质从头设计的代表性工作主要采用RosettaDesign——使用天然结构片段作为构建模块来拼接产生人工结构。然而,这种方法存在设计结果单一、对主链结构细节过于敏感等不足,显著限制了设计主链结构的多样性和可变性。 中国科学技术大学相关团队长期深耕计算结构生物学方向的基础研究和应用基础研究。施蕴渝院士是国内这一领域的开拓者。刘海燕教授、陈泉副教授团队十余年来致力于发展数据驱动的蛋白质设计方法。该团队首先建立了给定主链结构设计氨基酸序列的ABACUS模型,进而发展了能在氨基酸序列待定时从头设计全新主链结构的SCUBA模型。理论计算和实验证明,用SCUBA设计主链结构,能够突破只能用天然片段来拼接产生新主链结构的限制,从而显著扩展从头设计蛋白的结构多样性,甚至设计出不同于已知天然蛋白的新颖结构。“SCUBA模型+ABACUS模型”构成了能够从头设计具有全新结构和序列的人工蛋白完整工具链,是RosettaDesign之外目前唯一经充分实验验证的蛋白质从头设计方法,并与之互为补充。在论文中,团队报道了9种从头设计的蛋白质分子的高分辨晶体结构,其中5种蛋白质具有不同于已知天然蛋白的新颖结构。 审稿人认为,这项工作中提出的方法具有足够的新颖性和实用性;从头设计蛋白质具有挑战性,本工作中6种不同蛋白质的高分辨率设计是一项重要成就,证明这种方法运行良好。 中国学者在笼目超导体中发现新型电子向列相 中国科学技术大学陈仙辉、吴涛和王震宇等组成的团队,近日在笼目超导体CsV3Sb5中发现一种新型电子向列相。该发现不仅为理解笼目结构超导体中电荷密度波与超导电性之间的反常竞争提供了重要实验证据,也为进一步研究关联电子体系中与非常规超导电性密切相关的交织序提供了新的研究方向。相关成果2月10日发表于《自然》。 电子向列相广泛存在于高温超导体、量子霍尔绝缘体等电子体系,与高温超导电性之间存在紧密联系,被认为是一种与高温超导相关联的交织序。探索具有新结构超导材料体系,从而进一步研究超导与各种交织序的关联是当前领域的一个重要研究方向,其中一类备受关注的体系为二维笼目结构。理论预测二维笼目体系可呈现出新奇的超导电性和丰富的电子有序态,但长期以来缺乏合适的材料体系实现其关联物理,笼目超导体CsV3Sb5的发现为该方向的探索提供新的研究体系。 笼目结构超导体中三重调制电荷密度波导致的电子向列序与超导电性的物理示意图 陈仙辉团队在前期研究中已成功揭示该体系中面内三重调制的电荷密度波态,以及电荷密度波与超导电性在压力下的反常竞争关系。 在此基础上,团队结合扫描隧道显微镜、核磁共振以及弹性电阻三种实验技术,发现体系在进入超导态之前,三重调制电荷密度波态会进一步演化为一种热力学稳定的电子向列相,并确定转变温度在35开尔文左右。新型电子向列相具有Z3对称性,在理论上被three state Potts模型所描述,因而又被称为“Potts”向列相。有趣的是,这种新型电子向列相近期在双层转角石墨烯体系中也被观察到。 这一成果不仅在笼目结构超导体中揭示了一种新型电子向列相,也为理解这类体系中超导与电荷密度波之间的竞争提供了实验证据。此前的扫描隧道谱研究表明,CsV3Sb5体系中可能存在超导电性与电荷密度波序相互交织而形成的配对密度波态(PDW)。在超导转变温度之上发现的电子向列序,可以被理解成一种与PDW相关的交织序,这一结果也为理解高温超导体中的PDW提供了重要线索和思路。