Probe til nanofibre har følsomhed i atomskala

Optiske fibre er rygraden i moderne kommunikation, kører information fra A til B gennem tynde glasfilamenter som lyspulser. De bruges i vid udstrækning inden for telekommunikation, tillader information at rejse med nær lysets hastighed stort set uden tab.

Disse dage, biologer, fysikere og andre forskere bruger regelmæssigt optiske fibre til at lede lys rundt inde i deres laboratorier. I en nylig ansøgning, kvanteforskningslaboratorier har omformet optiske fibre, strække dem til små tapers (se Nanofibre og designer lysfælder). Til disse nanometer-skalaer, eller nanofibre, det injicerede lys gør stadig sin vej fra A til B, men noget af det er tvunget til at rejse uden for fiberens ydre overflade. Det udvendige lys, eller flygtigt felt, kan fange atomer og derefter overføre oplysninger om lys-stof-interaktionen til en detektor.

Finjustering af sådanne flygtige lysfelter er vanskelig og kræver værktøjer til at karakterisere både fiberen og lyset. Til denne ende, forskere fra JQI og Army Research Laboratory (ARL) har udviklet en ny metode til at måle, hvordan lys formerer sig gennem en nanofiber, giver dem mulighed for at bestemme nanofiberens tykkelse til en præcision, der er mindre end atomets bredde. Teknikken, beskrevet i 20. januar, 2017 nummer af tidsskriftet Optica , er direkte, hurtigt og, i modsætning til standard billeddannelsesmetode, bevarer fiberens integritet. Som resultat, sonden kan bruges in-situ med nanofiber fremstillingsudstyr, som vil effektivisere implementering i kvanteoptik og kvanteinformationseksperimenter. Udvikling af pålidelige og præcise værktøjer til denne platform kan muliggøre nanofiber -teknologi til registrering og metrologi.

Lysbølger har en karakteristisk størrelse kaldet bølgelængden. For synligt lys, bølgelængden er cirka 100 gange mindre end et menneskehår. Lys kan også have udseende af forskellige former, sådan en fast cirkel, ring, kløver og mere (se billedet herunder). Fibre begrænser måden, hvorpå lysbølger kan bevæge sig, og vridning eller bøjning af en fiber vil ændre lysets egenskaber. Nanofibre fremstilles ved at omforme en normal fiber til et timeglaslignende design, hvilket yderligere påvirker de guidede lysbølger.

I dette eksperiment, forskere injicerer en kombination af lette former i en nanofiber. Lyset passerer ned ad en tyndere konisk, klemmer gennem en smal talje, og forlader derefter den anden side af konen. Den skiftende fiberstørrelse forvrænger lysbølgerne, og flere mønstre dukker op fra de forstyrrende lysformer (se JQI News om indsamling af tabt lys). Dette er analogt med musiknoter, eller lydbølger, slå sammen for at danne en kompleks akkord.

Forskerne foretager direkte målinger af interferensmønstrene (beats). At gøre dette, de anvender en anden mikronstørrelse fiber, der fungerer som en ikke-invasiv sensor. Nanofiberen befinder sig på et trin i bevægelse og krydser sondefibrene i en skrå vinkel. Ved rørende punkt, en lille brøkdel af nanofiberlys kommer evanesent ind i den anden fiber og rejser til en detektor. Da de scanner sonden langs nanofiberens længde, sondedetektoren indsamler oplysninger om de udviklende mønstre af nanofiberlys. Forskerne overvåger samtidig lyset, der transmitterer gennem nanofiberen, for at sikre, at sondeprocessen er harmløs.

Teamet kan opnå en høj præcision med denne teknik, fordi de ikke afbilder fiberen med et kamera, som ville have en rumlig opløsning begrænset af det opsamlede lyss bølgelængde. UMD -kandidatstuderende Pablo Solano forklarer, "Vi ser faktisk de forskellige lysmåder blandes sammen, og det sætter grænser for at bestemme fiber taljen-i dette tilfælde sub-angstrom." Et standardværktøj kendt som scanning elektronmikroskopi (SEM) kan også måle fiberdimensioner med nanoskala opløsning. Det her, imidlertid, har en komparativ ulempe, siger Eliot Fenton, en UMD -bachelorstuderende, der arbejder på projektet, "Med vores nye metode, vi kan undgå at bruge SEM, som ødelægger fiberen med billeddannende kemikalier og opvarmning. "Andre teknikker involverer indsamling af tilfældigt spredt lys fra fiberen, som er mindre direkte og modtagelig for fejl. Solano opsummerer, hvordan forskere kan drage fordel af dette nye værktøj, "Ved direkte og følsom måling af lysets interferens (slag) uden at ødelægge fiberen, vi kan nøjagtigt kende den slags elektromagnetiske felt, som vi ville anvende på atomer. "