物理学家使用等离子体获得分子指纹

来自莫斯科物理技术研究所 (MIPT) 光子学和二维材料中心、奥维耶多大学、多诺斯蒂亚国际物理中心和 CIC nanoGUNE 的科学家们提出了一种研究单个有机分子特性的新方法和纳米分子层。Nanophotonics 中描述的这种方法依赖于 V 形石墨烯-金属膜结构。

通过红外光谱对分子进行无损分析在有机和无机化学的许多情况下都是至关重要的：用于控制气体浓度、检测聚合物降解、测量血液中的酒精含量等。但是，这种简单的方法不适用于少量分子一个纳米体积。在他们最近的研究中，来自俄罗斯和西班牙的研究人员提出了解决这个问题的方法。

新技术背后的一个关键概念是等离子体。从广义上讲，它是指与电磁波耦合的电子振荡。两者一起传播，可以看作是一个准粒子。

该研究考虑了大小为几十纳米的楔形结构中的等离子体。楔子的一侧是一个原子厚的碳原子层，称为石墨烯。它容纳沿薄片传播的等离子体激元，带有狄拉克电子或空穴形式的振荡电荷。V 形结构的另一侧是金或其他导电金属膜，几乎平行于石墨烯片延伸。中间的空间填充了锥形介电材料层(例如氮化硼)，最窄处的厚度为 2 纳米(图 1)。

这种设置能够实现等离子体定位或聚焦。这是指将常规等离子体转换为较短波长的过程，称为声波。当等离子体沿着石墨烯传播时，它的场被迫进入逐渐变小的楔形空间。结果，波长变小了很多倍，金属和石墨烯之间区域的场振幅被放大。以这种方式，规则的等离子激元逐渐转变为声学激元。

“以前知道极化子和波模式在锥形波导中经历这种压缩。我们开始专门研究石墨烯的这个过程，但随后继续考虑石墨烯 - 金属系统在产生分子光谱方面的可能应用， ”论文合著者来自 MIPT 纳米光学和等离子体实验室的 Kirill Voronin 说。

该团队在称为 CBP 的分子上测试了其想法，该分子用于制药和有机发光二极管。它的特点是在 6.9 微米的波长处有一个突出的吸收峰。该研究着眼于一层分子的响应，该层位于金属和石墨烯之间的楔形薄部分。分子层薄至 2 纳米，比激光激发等离子体的波长小三个数量级。使用传统光谱法测量分子的如此低的吸收是不可能的。

然而，在物理学家提出的设置中，该场位于更紧凑的空间中，使团队能够专注于样本，从而记录来自多个分子甚至单个大分子(如 DNA)的响应。

有多种方法可以激发石墨烯中的等离子体。最有效的技术依赖于散射型扫描近场显微镜。它的针头靠近石墨烯并用聚焦光束照射。由于针尖非常小，它可以激发具有非常大的波矢量和小波长的波。从楔子的锥形末端激发的等离子体沿着石墨烯向要分析的分子移动。在与分子相互作用后，等离子激元在楔形的锥形末端反射，然后被最初激发它们的同一根针散射，因此它兼作检测器。

“我们计算了反射系数，即反射的等离子体强度与原始激光辐射强度的比值。反射系数显然取决于频率，最大频率与分子的吸收峰重合。它变得明显在常规石墨烯等离子体的情况下，吸收非常弱 - 大约百分之几。当涉及到声学等离子体时，反射系数要低百分之几十。这意味着辐射在小分子层中被强烈吸收， ” 该论文的合著者和 MIPT 访问教授 Alexey Nikitin 补充道，他是西班牙多诺斯蒂亚国际物理中心的研究员。

在对所涉及的技术流程进行一定改进后，俄罗斯和西班牙研究人员提出的方案可以作为创建实际设备的基础。据该团队称，它们主要用于研究研究不足的有机化合物的特性和检测已知的有机化合物。

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