Réamhrá ar Nanophotonics

Dún do shúile ar feadh cúig soicind. Cad a fheiceann tú? Anois oscail do shúile arís. Cad a fheiceann tú? Tá an freagra simplí: éadrom.

B’fhéidir go bhfaighidh tú amach gur saol bunúsach é an solas sa saol, agus níl aon rud is féidir le duine a dhéanamh lena lámha loma chun idirghabháil a dhéanamh leis. Ach tá taighdeoirí agus eolaithe ag déanamh staidéir ar nádúr an tsolais agus ar an gcaoi le breathnóireacht a dhéanamh, agus freisin chun solas a ionramháil agus a innealtóireacht le céad bliain anuas, ag breith réimse ar a dtugtar nanafotonics.

Mar sin ... cad é nanafotonics?

Smaoinigh ar nanafotonics mar staidéar ar thuiscint agus solas innealtóireachta ar scála an-bheag, nó ar a dtugtar scála nanaiméadar freisin. Toisc nach bhfuil ár gcuid brains daonna an-mhaith ar choincheapú a dhéanamh ar cé chomh beag agus atá nanaiméadar, déanaimis rudaí a chur i bpeirspictíocht: Tá timpeall is 100,000 follicle gruaige ag an gceann daonna ar an meán, agus is féidir le gach follicle gruaige 20 gruaig a fhás. Matamaitic thapa, san iomlán, is féidir leat 100,000 uair 20 a bheith cothrom le dhá mhilliún snáithe gruaige. Go bunúsach is é nanaiméadar an céadú cuid de ghruaig dhaonna nó 1/200 milliún de do cheann!

Ar an láimh eile, tagraíonn an focal fótóinic i nanafotonics go bunúsach do fhótóin, bloc tógála an tsolais.

Rud atá an-spéisiúil faoi nanafotonics is ea tuiscint a fháil ar an gcaoi a n-iompraíonn na fótóin seo ar nanascála, is féidir linn tosú ag rialú agus ag ionramháil a n-idirghníomhaíochtaí, agus aireagáin seiftiúla mar thoradh orthu, mar bhealach níos fearr le haghaidh íomháithe ailse nó réiteach féideartha do ríomhairí chandamach teocht an tseomra!

Riamh ó d’fhógair léacht Richard Feymann i 1959, tá taighdeoirí agus eolaithe ag déanamh staidéir ar an gcaoi ar féidir solas a bhrú síos i scála nanaiméadar, is féidir iompraíochtaí corr a tharlú agus dúshlán iomlán a thabhairt don bhealach a fheicimid inár ndomhan fisiceach. Trí na droch-iompraíochtaí seo a mhícheart, is féidir linn an chumhacht teorainneacha na teicneolaíochta reatha a bhriseadh agus gairis fótóinice níos fearr a chruthú.

Conas is féidir le nanafotonics tionchar a imirt ar ár ndomhan!

Optics chandamach

Tá an deis in optics chandamach nanoscale comhpháirteanna a fhorbairt le haghaidh cumarsáide chandamach agus ríomhaireachta chandamach. Is í an chripteagrafaíocht chandamach an eolaíocht a bhaineann le hairíonna meicniúla chandamach a úsáid chun tascanna cripteagrafacha a dhéanamh agus soláthraíonn sí cód atá slán ó bhroinn agus nach féidir a bhriseadh. Taispeánadh, i ndáiríre, laistigh agus lasmuigh den saotharlann suas le luasanna measartha físe agus thar achair mheasartha (timpeall na mílte km!).

Ar an láimh eile, níor léiríodh ríomhaireacht chandamach ach sa saotharlann, agus córais chasta á n-úsáid ag teocht ísealfholús. Agus tá acmhainneacht ríomhairí chandamach ollmhór! Geallann na ríomhairí seo luasghéarú easpónantúil ar phróisis thábhachtacha, rud a ligfidh dóibh ríomh comhthreomhar ollmhór a bheith acu chun fadhbanna tábhachtacha a réiteach.

Rud atá suimiúil ná is féidir le nanafotonics cuidiú leis na teicneolaíochtaí seo a chur i gcrích trí iad a chur ar fáil go héasca le haghaidh oibriú teocht an tseomra! Déanta na fírinne, d’fhorbair eolaithe ag MIT feiste fótónach nua le déanaí, ag baint úsáide as criostail sileacain le patrúin sainiúla eitseáilte isteach ann, chun idirghníomhaíochtaí fótón-fótón a chumasú ag teocht an tseomra.

Gléas fótónach

I ríomhairí chandamach, tá maoin fhisiceach aisteach ann ar a dtugtar superposition, áit ar féidir le cáithnín chandamach dhá stát contrártha a áitiú ag an am céanna. Mar shampla, is féidir le casadh, nó treoshuíomh maighnéadach leictreon, a bheith suas agus síos ag an am céanna. Ar an gcaoi chéanna, is féidir le polarú fótóin amháin a bheith cothrománach agus ingearach ag an am céanna. Má tá sreangán de choileáin (an t-analóg chandamach de ghiotáin do ríomhairí clasaiceacha) i bhforshuíomh, féadfaidh sé réitigh ar fhadhb a chanbhasáil ag an am céanna, rud a fhágfaidh go mbeidh luasghéarú dochreidte ann.

Toisc nach féidir le prótóin idirghníomhú leis an gcomhshaol, tá siad iontach maith chun sár-sheasamh a choinneáil, ach ar an gcúis chéanna, tá sé deacair iad a rialú. Seo an áit a dtagann an fheiste fótónach isteach: Má théann fótón amháin isteach ina bhfeiste, rachaidh sé trí neamhshimpliú. Ach má dhéanann dhá fhótón - sna stáit chandamach cheart - iarracht dul isteach san fheiste, léireofar iad ar ais. Mar sin is féidir smaoineamh ar staid chandamach prótón amháin a rialaíonn staid chandamach na cinn eile.

Nana-ábhair fhótónacha

Sampla corraitheach eile le haghaidh nana-ábhar fótónach is ea poncanna chandamach (QDanna). Mar a thugann an t-ainm le tuiscint, smaoinigh ar phoncanna chandamach mar ábhar thar a bheith beag atá comhchruinnithe i bponc amháin. Is é sin le rá, má shocraíonn tú na srianta le haghaidh nana-ábhair, má chuireann tú taobh istigh de bhosca samhlaíoch é agus má choinníonn tú é sna trí thoise, gheobhaidh tú sféar a shíneann cúpla nanaiméadar.

Mar sin, is eiseamláir den sféar sin i réimse na nanaitheicneolaíochta é ponc chandamach agus tá sé tríthoiseach. Tá siad comhdhéanta d’ábhair leathsheoltacha ar nós sileacain nó CD, rud a chiallaíonn nach inslitheoir nó seoltóir iad go docht ach go n-iompraíonn siad go ceimiceach mar an dá rud. Mar gheall ar a n-iompraíocht cosúil le adamh, is minic a úsáidtear QDanna le haghaidh airíonna optúla speisialta is féidir a úsáid chun tóireadóirí optúla a dhéanamh le haghaidh íomháithe bitheolaíocha agus míochaine.

Feidhm amháin tuar dóchais inti de QDanna is ea gur féidir leo réabhlóidiú a dhéanamh ar an mbealach a ndéanaimid ailse a dhiagnóisiú agus a chóireáil inniu. Tugann íomháú móilíneach QD bealach nua isteach chun próisis bhitheolaíocha a fheiceáil ag obair i gcealla agus in ainmhithe beaga i bhfíor-am, rud atá dochreidte ann féin.

Tá poncanna cainníochta a astaíonn tonnfhaid éagsúla le feiceáil tar éis iad a instealladh i luch.

Chun rudaí a chur i bpeirspictíocht, déanaimis méid an ghéanóim dhaonna a choincheapú - leabhar cócaireachta ár saoil. Tá timpeall is 40,000 géinte ag daoine. Feidhmíonn grúpa mór de na géinte seo ag gach nóiméad amháin, i ngach cill dár gcorp, ar bhealaí an-chasta. Mar a thuairiscigh Weiss, taighdeoir ag Ionad Ailse Jonsson agus UCLA:

“Trí ionchódú datha ar fho-thacar de phróitéiní sa chill le poncanna chandamach dathanna éagsúla, is féidir linn ciorcadóireacht mhóilíneach a leanúint, atheagrú dinimiciúil na n-idirghníomhaíochtaí móilíneacha agus na n-idirghníomhaíochtaí a athchláraíonn cealla chun feidhm i ngalar a fháil agus a chailleadh - i mbeagán focal, maoirseacht a dhéanamh ar an 'damhsa móilíneach' a shainíonn an saol féin. "

Léiriú ar chimeatéadracht íomháithe cille aonair bunaithe ar phonc chandamach chun fo-chineálacha ailse chíche a chinneadh. Déileáladh le fíocháin bithóipse nó cealla bunscoile ó siadaí cíche le ceithre chomhchuingeach ponc-bhithmhéadair chandamach (EGFR1, HER2, ER, agus PR) agus iad corraithe ag solas UV.

Is féidir teicníc den chineál céanna a úsáid d’othair ailse, ar féidir iad a instealladh le manglam de QDanna a “lipéadódh” cealla ailseach. Chomh luath agus a bhailítear iad ag suíomh an meall, d’fhéadfaí na positrons a astaítear ó na QDanna a íomháú le scanóir PET a thabharfadh le fios go bhfuil meall i láthair agus i suíomh. D’fhéadfadh “barrachód optúil” de na qdots daite éagsúla cabhrú le dochtúirí cineál agus céim meall a aithint trí ligean dóibh leibhéil éagsúla marcóirí meall éagsúla a fheiceáil. D’fhéadfadh íomháú QDanna dul in áit an phróisis fhada agus chostasach a bhaineann leis an gcaoi a bhfuilimid ag cóireáil ailse inniu!

The Superpowers of Light: Fíorúil Grianghraif

I meicnic chlasaiceach, déantar cur síos ar solas mar réimsí leictreacha agus maighnéadacha cúpláilte ag iomadú tríd an spás mar thonn taistil.

Mar sin féin, ní leor an teoiric tonnta seo chun airíonna solais ag déine an-íseal nó ag nanascála a mhíniú. Dá bhrí sin, d'iompaigh daoine ar theoiric chandamach a chuireann síos ar solas mar phaicéid scoite fuinnimh, ar a dtugtar fótóin.

De réir mar a iompraíonn solas de réir mar a rinne fisiceoirí tonnta agus cáithníní an dá theoiric chlasaiceacha seo a chumasc le chéile agus ceann níos cuimsithí a thabhairt isteach, ar a dtugtar leictreodinimic chandamach (QED) go minic.

Déanaimis é a bhriseadh síos agus céim ar chéim tuiscint a fháil ar a bhfuil QED ag caint!

I meicnic chlasaiceach, bímid ar an eolas faoi fhórsaí allamuigh, mar fhórsa imtharraingthe nó fórsa leictreamaighnéadach. Is é an rud is tábhachtaí a chaithfimid a thuiscint ná go dtugann na réimsí seo fórsaí ar an réad, rud a fhágann go bhfuil sé ag luasghéarú. Mar shampla, tá réimse imtharraingthe ag an Domhan, rud a fhágann go mbíonn fórsa imtharraingthe ag an úll anuas agus go dtagann sé ón gcrann.

Déanann teoiric chandamach na fórsaí allamuigh seo a athshainiú trí chur síos a dhéanamh ar fhórsaí mar na hidirghníomhaíochtaí idir cáithníní. In áit fórsa a bheith á idirghabháil ag solas, rinne Richard Feynman hipitéis go ndéantar é a idirghabháil trí rud ar a dtugtar fótóin fhíorúla.

I dturgnaimh eolaithe Chalmers, preabann fótóin fhíorúla as “scáthán” a chreathann ar luas atá beagnach chomh hard le luas an tsolais. Is siombail í an scáthán cruinn sa phictiúr, agus faoi sin tá an chomhpháirt leictreonach chandamach (dá ngairtear SQUID), a fheidhmíonn mar scáthán. Fágann sé sin go bhfuil fíor-fhótóin le feiceáil (i mbeirteanna) i bhfolús

Anois, tá na cáithníní fíorúla seo suimiúil go leor: Tá siad in ann teacht isteach agus amach le haghaidh suiteálaithe gairide. Mar gheall ar an maoin seo, meastar go bhfuil siad fíorúil, ós rud é nach bhfuil siad chomh buan céanna le gnáthcháithníní is atá tábhacht le makeup. Chomh luath agus a idirghníomhaíonn na cáithníní fíorúla seo le cáithníní luchtaithe, cosúil le fótóin nó leictreoin, bíonn siad ina gcúis leis na cáithníní seo preabadh agus treo a athrú, amhail is go raibh tionchar ag fórsa orthu. I mbeagán focal, cuirtear idirghníomhaíochtaí idir cáithníní fíorúla agus fíorcháithníní in ionad an fhórsa.

Cé go bhfuaimeann sé áiféiseach go hiomlán nach féidir le cáithnín popadh as áit ar bith, is féidir le cáithníní fíorúla go leor feiniméin a mhíniú i bhfótóinic nanoscale.

Éifeacht Casimir-Polder

Ar dtús, éifeacht Casimir-Podler, a thagraíonn go bunúsach don tarraingt idir dhá réad má thagann siad laistigh de 100 nm óna chéile. Cuireadh an dá réad i bhfolús, ina bhfuil spás folamh.

Is ionadh, áfach, nach bhfuil an spás folamh i ndáiríre folamh. Rothaíonn sé agus boilsíonn sé le rud ar a dtugtar luaineachtaí chandamach, ag spalpadh péirí de cháithníní bunúla “fíorúla” ó am go chéile. Smaoinigh air mar thonnta cáithníní le feiceáil agus ag imeacht as an t-am ar fad. Déanann na cáithníní fíorúla seo iad a dhíothú agus imíonn siad ar ais san fholús chandamach chomh tapa sin nach féidir an sárú dealraitheach ar chaomhnú fuinnimh a thabhaíonn a gcruthú a thabhairt faoi deara go díreach.

Laghdú láidir ar fhórsa Casimir trí nanastruchtúrú dromchla miotalach

Cé nach bhfuarthas feidhmchláir phraiticiúla na n-éifeachtaí Casimir, tá sé tábhachtach do thaighdeoirí agus do mhonaróirí MEMS a choinneáil i gcuimhne chun feistí éifeachtacha nanascála a dhearadh a mbainimid úsáid astu, abair sceallóga ríomhaire, inniu!

Ceangal optúil

Bealach tábhachtach eile chun solas a rialú is ea trí cheangal optúil. Nuair a bhíonn dhá bhalla de nanacháithníní ag idirghníomhú le tonn eitleáin, tarlaíonn an fórsa ceangailteach optúil. Mar thoradh air sin, déantar suíomhanna an dá nanacháithníní a shocrú.

Is é an rud a tharlóidh dá bharr ná go bhféadfadh tobair tarlú, níos mó nanacháithníní a ghaisteáil agus an struchtúr a dhéanamh níos cobhsaí. I gcomparáid le cáithníní micreathosca, tá gá le fórsaí gaisteoireachta níos láidre chun na fórsaí teirmeacha a shárú chun rialú mín a dhéanamh ar rudaí ag an nanascála. Dá bhrí sin, tá feidhmchláir fhéideartha ag ceangailteach optúil maidir le cáithníní beaga a ghaisteáil agus nanastruchtúir a chur le chéile.

Eochair-beir leat

  • Is é atá i nanafotonics ná staidéar ar thuiscint agus solas innealtóireachta ar scála nanaiméadar.
  • Trí thuiscint a fháil ar an gcaoi a n-iompraíonn na fótóin seo ar nanoscale, is féidir linn tosú ag rialú agus ag ionramháil a n-idirghníomhaíochtaí, rud a fhágann go mbeidh aireagáin cosúil le bealach nua le haghaidh diagnóis agus cóireáil ailse nó ríomhaireacht chandamach fótónach.
  • Míníonn leictreodinimic chandamach agus fótóin fhíorúla roinnt iompraíochtaí tábhachtacha cáithníní ag an nanascála. Dhá shampla is ea éifeacht Casimir agus ceangailteach optúil, a bhfuil ról tábhachtach acu i bhfeistí MEMS.

Go raibh maith agat as mo alt a léamh agus cuir in iúl dom an bhfuil aon aiseolas agat!

Má bhaineann tú taitneamh as an alt seo, cuimhnigh é a roinnt le do chairde, do mhuintir, do chomhghleacaithe agus lean mé le haghaidh ailt amach anseo!