基于纳米机械振子的光学质谱仪

发布时间：2019-07-25 18:55

【摘要】：纳米机械振子具有超小的质量、超高的品质因数和振动频率以及其他优点,越来越受到人们的关注和认可.随着纳米科技的快速发展,纳米机械振子逐步进入到生物、化学、物理、医学等领域,成为科学研究工作者追求高质量和高性能材料的辅助系统.本文总结了本课题组近年来对纳米机械振子研究的一个重要应用:纳米光学质谱仪.在全光条件下,质量测量对象可为中性原子、质子、中子,也可为其他化学分子或生物分子等.我们提供的纳米机械振子材料为纳米碳管和石墨烯纳米带.研究发现,基于纳米机械振子的光学质谱仪与传统的电学质谱仪相比有很多优越性,如不会引发由电路引起的热效应和能量损失,基于质量测量的光学谱宽更窄等.与单束光探测方法相比,不受频率高低的限制.此研究工作提出的基于全光学的质量测量方案,打破了电学测量和单束光领域中的众多限制,有望更大程度地提高质量测量的灵敏度和准确度,为纳米测量领域提供一个新的平台.
【图文】：

nmm.(2)公式(2)即为当外界粒子落在振子表面时,振子振动频率的变化和外界粒子的质量关系.假设被测物质均匀地沉积在振子的表面,根据公式(2),只要能够测量出粒子落在振子表面的前后振子振动频率的变化,就可以得到外界粒子的质量.由公式(2)可以看到,此质量的测量理论与传统的质谱仪完全不同,不受粒子是否带电的限制.此外发现,质量越轻的机械振子,能够测量的外界粒子质量越小.也就是说,机械振子的质量越轻,其质量测量的灵敏度越高.在这基础上,如果引入全光的测量方法,会大幅度提高质量测量的灵敏度和准确度.图1为光学质谱仪的实验装置示意图.其中,机械振子置于此装置的底端,作为质量测量载体材料.整个装置处于高真空的环境,外界粒子由顶端的蒸发源产生后,依次通过石英晶体监控器、辐射挡板等装置逐步沉积到最底端的机械振子表面,进而引起机械振子有效质量产生变化.蒸发源产生被测物质的过程应处于接近室温的状态.但是在质量的测量过程中,为了避免环境中其他粒子质量和其他噪声因素的干扰,必须处于低温环境.此温度的变化可以通过温度阀调节.本文以两种机械振子为例(纳米碳管和石墨烯纳米带),介绍这种光学质谱仪.2基于纳米碳管的光学质谱仪基于纳米碳管的众多优点,如质量轻、振动频率高、振动寿命长、抗干扰能力强、易于制备以及灵敏图1(网络版彩色)基于纳米机械振子的光学质谱仪示意图纳米机械振子作为质量测量的载体材料被置于此装置最底端度高等性质,它逐渐成为许多感应器件不可缺少的材料之一,如太阳能光电装置、纳米治疗仪器、生物成像、光催化系统等[8,9].此外,纳米碳管对外界温度和微扰的感应非常灵敏,这就意味着它可以作为辅助材料增强感应器件的透射谱,以及对噪声的减少.图2为基于纳米碳管的光学质谱仪:?

管和石墨烯纳米带),介绍这种光学质谱仪.2基于纳米碳管的光学质谱仪基于纳米碳管的众多优点,如质量轻、振动频率高、振动寿命长、抗干扰能力强、易于制备以及灵敏图1(网络版彩色)基于纳米机械振子的光学质谱仪示意图纳米机械振子作为质量测量的载体材料被置于此装置最底端度高等性质,它逐渐成为许多感应器件不可缺少的材料之一,如太阳能光电装置、纳米治疗仪器、生物成像、光催化系统等[8,9].此外,纳米碳管对外界温度和微扰的感应非常灵敏,这就意味着它可以作为辅助材料增强感应器件的透射谱,以及对噪声的减少.图2为基于纳米碳管的光学质谱仪:两段固定的单根纳米碳管作用于两束光场中(一束为强泵浦光,另一束为弱的信号光),由于纳米碳管在电压调控下其中央会形成一个具有二能级系统的局域激子,这就形成了一个简单的激子与声子的耦合系统(纳米碳管的振动模式在这里可处理成声子振动模).在两束光的图2(网络版彩色)基于纳米碳管的光学质谱仪两端固定的纳米碳管置于两束光的环境下,一束为强泵浦光,另一束为弱信号光
【作者单位】： 上海交通大学物理与天文系 人工结构与量子调控教育部重点实验室;
【基金】：国家自然科学基金(10974133,11274230)资助
【分类号】：TH843

【参考文献】

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【共引文献】

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本文编号：2519286