美研发光学天线可将信号放大数百万倍

美国莱斯大学(Rice University)的研究人员透露，他们已精确地完成光学天线(optical antenna)的特征化(characterized)，可望利用实现单分子传感器(single-molecule sensor)以及其他的先进非线性光学应用。所谓的光学天线是利用激光在金属电极之间的次纳米等级能隙(gap)诱导量子穿隧，号称能将信号放大上百万倍。

“天线是一种能与辐射互动的金属结构，并会因此产生振荡电压(oscillating voltage)。”莱斯大学教授Doug Natelson表示，“而在我们的案例中，电磁波就是光线(特别是实验所使用的785纳米波长)，而且这些光波会让小型金属电极内的电子大量出现，在纳米能隙产生改变电压。在这个意义上，它实际上就是一种天线，但是针对光而非无线电波的天线。”

利用以上效应所制作的传感器，能通过控制电极间次纳米等级能隙的辐射强度来感应到单分子；根据莱斯大学研究人员的量测，这种精确度程度是比采用入射激光(incident laser)高出数十万甚至数百万倍。Natelson表示：“举例来说，紧密排列的纳米粒子已被用来充分强化粒子间能隙的电场，并实现单分子拉曼光谱仪(Raman spectroscopy)。”

紧密排列的金属电极可扮演光学天线的角色，是因为它们的电子能用激光来激发，诱导出电浆子(plasmon)——也就是自由电子集体震荡——其短暂的电磁场是入射激光的数千倍，但遗憾的是，这些电厂很难量测与特征化。而现在Natelson与博士候选人Dan Ward发现了一种相对较简单的方法，可量测光学天线的次纳米电极间的电场。

这是以扫描电子显微镜所看到的纳米能隙组件黄金电极影像，该组件在实验中用以捕捉并放大光线(图片来源：莱斯大学教授Natelson实验室)

研究人员是将电极冷却到80开(Kelvin，约-315华氏度)，同时量测较低频率的电驱动电流，以及较高频率的光学驱动电流，推断出电压放大的倍数。

此图片描绘一对次纳米等级黄金电极内的电浆子，如何收集激光光线 (图片来源：莱斯大学教授Natelson实验室)