我国学者与海外合作者报道准确探测圆偏振光的新方法

【字体: 时间:2022年04月01日 来源:国家自然科学基金委员会

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  研究成果以“偏振光敏感的手性等离子体纳米膜(Polarization-sensitive optoionic membranes from chiral plasmonic nanoparticles)”为题,于2022年3月15日在《自然·纳米技术》(Nature Nanotechnology)上发表

  

图 (a)基于离子通道和电化学装置检测光电流的示意图;(b)单层和三层手性纳米膜光电流与入射光偏振度的关系分析;(c)不同入射角度的圆偏振光照射下的光电流(入射角指光与纳米薄膜表面之间的角度)

  在国家自然科学基金项目(批准号:21925402、32071400、21977038)等资助下,江南大学匡华教授团队与以色列魏兹曼研究所、美国密歇根大学、巴西圣保罗大学、新加坡国立大学以及北京应用物理和计算数学研究所合作,利用圆偏振光照射手性金纳米薄膜,通过搭建电化学装置监测光电流,进而实现对入射光偏振度的灵敏检测。研究成果以“偏振光敏感的手性等离子体纳米膜(Polarization-sensitive optoionic membranes from chiral plasmonic nanoparticles)”为题,于2022年3月15日在《自然·纳米技术》(Nature Nanotechnology)上发表。论文链接:https://www.nature.com/articles/s41565-022-01079-3。

  偏振光的探测能有效提高科学实验细节的可见性,在遥感探测、环境监测、信息加密传输等领域都具有重要意义。例如,被称为“活化石”的螳螂虾,它的复眼拥有数量众多的小眼,这些小眼有序排列,能够使其看到光的偏振特性,帮助它捕猎或躲避天敌。受此启发,将有序排列的金纳米颗粒作为离子通道,手性金纳米膜在圆偏振光照射下,可以驱动纳米膜通道中的离子运输产生光电流。通过电流—时间曲线变化监测光电流,实现入射光偏振度的检测。通常,圆偏振光中左、右手性光子差异通常不超过百分之一,这使得对左圆偏振光(LCP)和右圆偏振光(RCP)的区分是一个重大的科学挑战。在该研究中,LCP和RCP光照手性纳米膜产生的光电流差异可达到2.41倍。而且,手性金纳米膜检测圆偏振光,不受光的入射角度影响,在45°到90°的入射光角度范围内,均表现出完全一致的光电流结果(图)。

  研究团队深入探究了手性金纳米膜区分圆偏振光的机制。金纳米颗粒表面的手性分子苯丙氨酸自组装,在颗粒表面形成厚度约为2 nm的手性有机分子层。模拟计算表明,在左、右圆偏振光照射下,手性金纳米膜被激发的电子数量存在明显差异。苯丙氨酸配体在金纳米颗粒表面形成有机层,使得光照下的电子衰减被有效抑制,在金纳米膜两侧形成电势差,从而驱动离子运输产生电流;而离子通道的独特传输特性使得LCP和RCP的差异性高灵敏检测成为可能。

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