江蘇鐳射聯盟導讀：
一對金箔可以建立一個自組裝諧振器。
大自然的顏色是多彩繽紛的，然而，研究中卻讓我們享受到更奇異的顏色。
前不久，《Nature》上的一篇文章就讓我們看到了，鐳射作用下的顏色如此美麗炫目。
Chalmers University of Technology的研究人員發現，兩個金奈米薄片可以透過自然發生的力相互連線，形成一種多功能的奈米結構，有助於探索新的物理現象。來源：Chalmers University of Technology | Yen Strandqvist
在這個研究中，研究人員用了一個複雜的結構在容納這些材料，並且用了不同型別的“共振器”——即光線可以在物體內部反射的物體，就像聲音在吉他內部反射一樣。這個研究過程非常耗時和耗精力。但看到如此美麗的研究成果，研究人員也不禁感慨道：“在這種情況下，有趣的是有顏色出現在諧振器內。我們看到的基本上是自組裝的顏色。它結合了很多有趣的基礎物理，但同時，它很容易製作。有時候，物理是如此的令人驚訝和美麗。”（研究者Timur Shegai）
研究人員發現了一種由兩個平行鏡子組成的已知形式的諧振器，可以用一種比以前實現的簡單得多的方式建立和控制。
“就像我們所做的那樣，建立一個高質量、穩定的諧振器通常是很複雜的，需要在實驗室中花很多時間。但在這裡，我們看到它自發地發生，對自然發生的力做出反應，不需要外部的能量輸入。實際上，你可以在自己的廚房裡製造我們的諧振器——它是在室溫下用普通水和一點鹽製造的，”研究負責人、物理系副教授Timur Shegai解釋道，他自己也對實驗室中發現的性質感到驚訝。
當兩個微小的金箔在鹽溶液中相遇時，會發生相互作用，使它們形成一對。它們都帶正電，因為水溶液中覆蓋著兩層離子(紅色和藍色)。這就產生了一種斥力，但由於同時受到“Casimir effect”的影響，也產生了一種吸引力，從而產生了一個穩定的平衡。兩個奈米薄片朝向彼此，在它們之間形成一個空腔，並且在幾個星期的觀察中，它們在這種安排下保持穩定。這個腔就像一個光學諧振器，它提供了一個可調諧的系統來研究光和物質的組合，也就是所謂的極化子。來源：Chalmers University of Technology | Denis Baranov and Yen Strandqvist
一個自我組裝和生長的系統
他和他的同事觀察到，當兩個直徑為5000奈米、厚度僅為30奈米的微小金片在鹽水中相遇時，一種相互作用使它們形成一對。兩個金片都帶正電，因為水溶液覆蓋著兩層離子。這就產生了一種排斥靜電力，但是，由於卡西米爾效應的同時影響，一種吸引力也產生了，併產生了穩定的平衡，使得薄片之間的距離大約為150奈米。兩個奈米薄片朝向彼此，在它們之間形成一個空腔，並且在幾個星期的觀察中，它們保持穩定的這種排列。然後，這個腔就像一個光學諧振器，一個提供了許多機會來探索各種物理現象的裝置。
一旦黃金薄片形成一對，它們就會留在原地，如果不主動分離，就會有越來越多的黃金碎片互相尋找，形成一個更大的群體。這意味著，這種結構，純粹透過自然發生的力量，可以增長，併為研究人員創造更多有趣的機會。
這種結構可以透過在水溶液中加入更多的鹽、改變溫度或用鐳射照射來進一步操縱，這可以導致一些有趣的觀察結果。
a，體系示意圖:兩個平行的金奈米薄片漂浮在配體(CTAB)的水溶液中。在吸引卡西米爾力和排斥靜電力的共同作用下，兩個奈米薄片在Leq距離處處於亞穩態平衡。b,計算潛在(卡西米爾和靜電電位之和)系統的單位面積上的情況兩個30 nm厚的黃金nanoflakes CTAB在水溶液中與一個固定的表面電荷密度σ= 1 mC m−2和不同配體的濃度,即0.35毫米(左),0.7毫米1.4毫米(中)和(右)。總勢、靜電勢和卡西米爾勢分別用虛線、紅線和綠線表示。c，左，從五個具有代表性的自組裝奈米薄片二聚體(D1-D5)腔(Leq≈84 nm(紫色)、100 nm(藍綠色)、110 nm(藍色)、139 nm(橙色)和160 nm(紅色)採集的準正入射反射光譜。正確的底部,關鍵。透過改變CTAB濃度得到不同的空腔厚度，CCTAB = 1.425 mM (D1)、0.75 mM (D2)、0.35 mM (D3)、0.175 mM (D4)和0.116 mM (D5)。右上方，Leq≈139 nm的示例性自組裝微腔的角度分辨反射，顯示出典型的拋物線行為。d，亮場(BF)影象的自組裝二聚體形成的片狀I(三角形)和片狀II(六角形)。插圖是一個典型的金奈米片的SEM影象。e，在二聚體內上下奈米薄片之間沿x(上)和y(下)方向的相對位移隨時間的函式，如d所示。請注意，雖然薄片可以彼此移動，但它們的相對位移(以開放圓表示)與它們的橫向尺寸(以淺粉色和藍色圖表示)相比總是很小。
研究光和物質的交匯點
這種結構可以用作研究材料及其行為的腔室。透過在空腔中放置一種只有幾層原子厚度的二維材料，或者透過對空腔進行調整，也可以創造出極化子——一種混合粒子，使研究光和物質的交匯點成為可能。
“我們的結構現在可以新增到自組裝方法的整體工具箱中。由於它的多功能性，它可以用於研究基礎物理和應用物理，”物理系博士後、文章第一作者Battulga Munkhbat說。
此外，二聚體、三聚體和高階團聚體的相對數量可以透過奈米薄片的濃度和薄片間的相互作用來控制，其方式類似於銀奈米顆粒膠體的自限聚集。就像二聚體一樣，三聚體在垂直和橫向上形成穩定的聚合體。
該研究的作者表示，將結構放大，使用肉眼可以看到的更大的黃金薄片，這可能會帶來更多的可能性。
“在未來，我可以看到這個平臺被用於研究極化子，以一種比現在更簡單的方式。另一個領域可能是利用在金片之間建立的顏色，例如畫素，來建立不同種類的RGB值，其中每種顏色可以檢查不同的組合。它還可以應用於生物感測器、光學力學或奈米機器人，”Timur Shegai說。
以此研究為基礎的論文“可調諧自組裝卡西米爾微腔和極化子”已發表在《Nature》雜誌上。
來源：Tunable self-assembled Casimir microcavities and polaritons, Nature (2021). DOI:10.1038/s41586-021-03826-3
江蘇鐳射聯盟陳長軍原創作品！
