研究人员首次观察到电子束诱导的等离子体法诺干扰

波干涉的概念一直使科学家们感兴趣。无论是光、声、水或其他波的干涉,理解这些现象的力学是很重要的,但它也可能是复杂的,特别是对于纳米尺度的电子密度波。

圣母大学的实验学家和华盛顿大学的理论家们近10年来一直试图观察一种特殊类型的干扰,即所谓的法诺干扰。这种干涉被认为是独特的,因为它发生在一个长期存在的量子跃迁与一个不存在的量子跃迁相互作用时,产生了相应的离散和连续结构的混合物。

总的来说,研究小组的目标是利用电子显微镜观察这种干扰的发生。电子显微镜是一种获得纳米级样品的高分辨率图像的技术。由于范诺干涉机制的最初概念是在20世纪60年代在氦气的背景下发展起来的,研究人员推断,今天的技术将使在其他系统中观察这种现象变得相当简单。

“问题是,‘我们能在电子显微镜下看到这种范诺干扰吗?卡姆登(Jon P. Camden)说。“早些时候,我们意识到我们团队的想法行不通。但最终,通过反复试验,我们成功了。”

在《物理评论快报》(Physical Review Letters)上发表的一篇论文中,卡姆登及其合作者将电子能量损失光谱和理论模型结合起来,见证了在一对纳米级别的金粒子中首次直接检测到法诺共振或法诺干扰。本研究构建并测量了该系统光谱响应中的Fano干扰。

为了解释这项研究,论文的共同通讯作者、华盛顿大学(University of Washington)的化学教授戴维·j·马西埃洛(David J. Masiello)说:“想象一下这样一个秋千,两个秋千联系很弱,只有当你推动一个秋千时,它不会动,而另一个会动。”这是一种由干扰引起的效果,它不是直观的,所以很难解释和复制。”

20190916 102938 1显微镜在橡树岭国家实验室使用

研究小组使用了一种金纳米结构,它由长杆旁边的一个小圆盘组成,两者之间只有几十纳米的距离。通过将纳米尺寸的电子探针定位在金盘面上与金棒方向相反的位置,得到了这一观察结果。金圆盘起着天线的作用,把电子探针的能量传送到金属杆上。圆盘和棒的能量振荡产生了干涉,导致了研究小组一直在寻找的具有非对称光谱特征的强度分布。     

虽然研究中的实验观察与物理学家Ugo Fano很久以前建立的概念相同,但研究人员使用了不同的物理系统来观察纳米尺度的现象,这需要在电子显微镜领域取得重大进展。这些进步只是最近才出现的。通过合作与胡安·卡洛斯Idrobo橡树岭国家实验室(ORNL)和田纳西大学的菲利普·d·架和ORNL,研究小组能够使用ORNL的一个先进的电子显微镜,它是世界上为数不多的显微镜也可以观察。

这项研究是由美国能源部资助的。某些实验是在ORNL的纳米材料科学中心进行的,部分使用了UT-Battelle LLC提供的ORNL材料表征核心内的仪器。这篇论文的另外两位作者是奥古斯特•奥拉夫松(Agust Olafsson)和胡璇(Xuan Hu)。其他合作者有华盛顿大学的凯文·c·史密斯和史蒂文·c·奎林,以及田纳西大学的罗宾·科利特。卡姆登是NDnano、ND Energy和Advanced Diagnostics and Therapeutics的成员。

要阅读这篇被选为编辑推荐文章的研究报告,请访问journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.123.177401。

联系方式:Brandi Wampler,圣母大学研究中心通讯专家,[email protected], 574-631-8183; @UNDResearch

11月7日由Brandi Wampler在research.nd.edu上发表。

新闻旨在传播有益信息,英文原版地址:https://news.nd.edu/news/researchers-are-the-first-to-observe-electron-beam-induced-plasmonic-fano-interferences/

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