【摘要】：納米機(jī)械振子具有超小的質(zhì)量、超高的品質(zhì)因數(shù)和振動(dòng)頻率以及其他優(yōu)點(diǎn),越來越受到人們的關(guān)注和認(rèn)可.隨著納米科技的快速發(fā)展,納米機(jī)械振子逐步進(jìn)入到生物、化學(xué)、物理、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域,成為科學(xué)研究工作者追求高質(zhì)量和高性能材料的輔助系統(tǒng).本文總結(jié)了本課題組近年來對(duì)納米機(jī)械振子研究的一個(gè)重要應(yīng)用:納米光學(xué)質(zhì)譜儀.在全光條件下,質(zhì)量測量對(duì)象可為中性原子、質(zhì)子、中子,也可為其他化學(xué)分子或生物分子等.我們提供的納米機(jī)械振子材料為納米碳管和石墨烯納米帶.研究發(fā)現(xiàn),基于納米機(jī)械振子的光學(xué)質(zhì)譜儀與傳統(tǒng)的電學(xué)質(zhì)譜儀相比有很多優(yōu)越性,如不會(huì)引發(fā)由電路引起的熱效應(yīng)和能量損失,基于質(zhì)量測量的光學(xué)譜寬更窄等.與單束光探測方法相比,不受頻率高低的限制.此研究工作提出的基于全光學(xué)的質(zhì)量測量方案,打破了電學(xué)測量和單束光領(lǐng)域中的眾多限制,有望更大程度地提高質(zhì)量測量的靈敏度和準(zhǔn)確度,為納米測量領(lǐng)域提供一個(gè)新的平臺(tái).
【圖文】：

nmm.(2)公式(2)即為當(dāng)外界粒子落在振子表面時(shí),振子振動(dòng)頻率的變化和外界粒子的質(zhì)量關(guān)系.假設(shè)被測物質(zhì)均勻地沉積在振子的表面,根據(jù)公式(2),只要能夠測量出粒子落在振子表面的前后振子振動(dòng)頻率的變化,就可以得到外界粒子的質(zhì)量.由公式(2)可以看到,此質(zhì)量的測量理論與傳統(tǒng)的質(zhì)譜儀完全不同,不受粒子是否帶電的限制.此外發(fā)現(xiàn),質(zhì)量越輕的機(jī)械振子,能夠測量的外界粒子質(zhì)量越小.也就是說,機(jī)械振子的質(zhì)量越輕,其質(zhì)量測量的靈敏度越高.在這基礎(chǔ)上,如果引入全光的測量方法,會(huì)大幅度提高質(zhì)量測量的靈敏度和準(zhǔn)確度.圖1為光學(xué)質(zhì)譜儀的實(shí)驗(yàn)裝置示意圖.其中,機(jī)械振子置于此裝置的底端,作為質(zhì)量測量載體材料.整個(gè)裝置處于高真空的環(huán)境,外界粒子由頂端的蒸發(fā)源產(chǎn)生后,依次通過石英晶體監(jiān)控器、輻射擋板等裝置逐步沉積到最底端的機(jī)械振子表面,進(jìn)而引起機(jī)械振子有效質(zhì)量產(chǎn)生變化.蒸發(fā)源產(chǎn)生被測物質(zhì)的過程應(yīng)處于接近室溫的狀態(tài).但是在質(zhì)量的測量過程中,為了避免環(huán)境中其他粒子質(zhì)量和其他噪聲因素的干擾,必須處于低溫環(huán)境.此溫度的變化可以通過溫度閥調(diào)節(jié).本文以兩種機(jī)械振子為例(納米碳管和石墨烯納米帶),介紹這種光學(xué)質(zhì)譜儀.2基于納米碳管的光學(xué)質(zhì)譜儀基于納米碳管的眾多優(yōu)點(diǎn),如質(zhì)量輕、振動(dòng)頻率高、振動(dòng)壽命長、抗干擾能力強(qiáng)、易于制備以及靈敏圖1(網(wǎng)絡(luò)版彩色)基于納米機(jī)械振子的光學(xué)質(zhì)譜儀示意圖納米機(jī)械振子作為質(zhì)量測量的載體材料被置于此裝置最底端度高等性質(zhì),它逐漸成為許多感應(yīng)器件不可缺少的材料之一,如太陽能光電裝置、納米治療儀器、生物成像、光催化系統(tǒng)等[8,9].此外,納米碳管對(duì)外界溫度和微擾的感應(yīng)非常靈敏,這就意味著它可以作為輔助材料增強(qiáng)感應(yīng)器件的透射譜,以及對(duì)噪聲的減少.圖2為基于納米碳管的光學(xué)質(zhì)譜儀:?

管和石墨烯納米帶),介紹這種光學(xué)質(zhì)譜儀.2基于納米碳管的光學(xué)質(zhì)譜儀基于納米碳管的眾多優(yōu)點(diǎn),如質(zhì)量輕、振動(dòng)頻率高、振動(dòng)壽命長、抗干擾能力強(qiáng)、易于制備以及靈敏圖1(網(wǎng)絡(luò)版彩色)基于納米機(jī)械振子的光學(xué)質(zhì)譜儀示意圖納米機(jī)械振子作為質(zhì)量測量的載體材料被置于此裝置最底端度高等性質(zhì),它逐漸成為許多感應(yīng)器件不可缺少的材料之一,如太陽能光電裝置、納米治療儀器、生物成像、光催化系統(tǒng)等[8,9].此外,納米碳管對(duì)外界溫度和微擾的感應(yīng)非常靈敏,這就意味著它可以作為輔助材料增強(qiáng)感應(yīng)器件的透射譜,以及對(duì)噪聲的減少.圖2為基于納米碳管的光學(xué)質(zhì)譜儀:兩段固定的單根納米碳管作用于兩束光場中(一束為強(qiáng)泵浦光,另一束為弱的信號(hào)光),由于納米碳管在電壓調(diào)控下其中央會(huì)形成一個(gè)具有二能級(jí)系統(tǒng)的局域激子,這就形成了一個(gè)簡單的激子與聲子的耦合系統(tǒng)(納米碳管的振動(dòng)模式在這里可處理成聲子振動(dòng)模).在兩束光的圖2(網(wǎng)絡(luò)版彩色)基于納米碳管的光學(xué)質(zhì)譜儀兩端固定的納米碳管置于兩束光的環(huán)境下,一束為強(qiáng)泵浦光,另一束為弱信號(hào)光
【作者單位】： 上海交通大學(xué)物理與天文系 人工結(jié)構(gòu)與量子調(diào)控教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室;
【基金】：國家自然科學(xué)基金(10974133,11274230)資助
【分類號(hào)】：TH843

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本文編號(hào)：2519286