Fabricage en exploitatie van een Nano-Optical transportband

Vastleggen, ondervraging en manipulatie van enkele nanodeeltjes zijn van toenemend belang in de nanotechnologie. Optische pincetten hebben een bijzonder succesvolle manipulatie techniek voor experimenten in de moleculaire biologie ^{1-4, 5-7} chemie en nano-assemblage ^7-10, waar ze baanbrekende experimenten mogelijk, zoals het meten van de mechanische eigenschappen van afzonderlijke DNA-moleculen en ⁴ worden het sorteren van cellen door hun optische eigenschappen ^11,12. Ontdekkingen in de volgende grenzen openstellen van de studie van nog kleinere systemen, en ze maken voor de engineering van nieuwe vrijwel heilzame producten en technieken. Op zijn beurt, deze trend drijft de behoefte aan nieuwe technieken om kleinere, meer rudimentair deeltjes manipuleren. Daarnaast is er een druk om "lab-on-a-chip" inrichtingen bouwen om deze functies goedkoper en dan kleiner uitvoeren om chemische en biologische proeven uit de bringlab en in het veld voor medische en andere doeleinden ^13,14.

Helaas kan conventionele optische trapping (COT) niet alle nanotechnologie groeiende vraag te voldoen. COT werkt op het mechanisme van het gebruik van een hoge numerieke apertuur (NA) objectieflens laserlicht een scherpe focus te brengen, waardoor een plaatselijke piek in optische intensiteit en hoge gradiënten in het elektromagnetisch veld. Deze energiedichtheid gradiënten oefenen een netto kracht licht-verstrooiende deeltjes die in het algemeen trekt deze in de richting van het midden van de focus. Trapping kleinere deeltjes vereist hogere optische macht of een strakkere focus. Echter, gerichte lichtstralen gehoorzamen het principe van diffractie, waarbij de minimale grootte van het brandpunt beperkt en plaatst een bovengrens voor het verloop energiedichtheid. Dit heeft twee onmiddellijke gevolgen: COT kan niet val kleine objecten efficiënt en COT heeft moeite onderscheid tussen dicht bij elkaar gelegen deeltjes, een trapping resolutiebeperking bekend als het probleem van de 'dikke vingers'. Bovendien uitvoering van meervoudige deeltjes vangen met COT vereist systemen beam-steering optics of spatial light modulators, componenten drastisch verhogen de kosten en complexiteit van een optisch opvangsysteem.

Een manier om de fundamentele beperkingen van conventionele gerichte lichtstralen te omzeilen, welke propageren in het verre veld, is de gradiënten van optische elektromagnetische energie in het nabije veld plaats benutten. Het nabije veld vervalt exponentieel uit de buurt van elektromagnetische velden, wat betekent dat niet alleen het sterk gelokaliseerd deze bronnen, maar vertoont ook zeer hoog gradiënten in de energiedichtheid. De nabije velden van nano-metalen resonatoren, zoals bowtie openingen nano pilaren en C-vormige gravures, bleken buitengewoon concentraties van elektromagnetische energie, verder versterkt door de plasmonische werking van goud en zilver vertonen met nagenoeg infrared en optische golflengten. De resonatoren werden gebruikt te controleren uiterst kleine deeltjes bij hoge efficiëntie en resolutie ^15-22. Hoewel deze techniek effectief in het vangen van kleine deeltjes is gebleken, heeft ook bewezen in zijn vermogen om deeltjes op merkbare bereik, die nodig is om nabije-veld systemen interface met verre-veld systemen of microfluidics transporteren beperkt.

Recent is de groep een oplossing voor dit probleem voorgesteld. Wanneer resonatoren worden geplaatst dicht bij elkaar, kan een deeltje in principe migreren van een nabije-veld optische val naar de volgende, zonder vrijkomen van het oppervlak. De richting van het vervoer kan worden bepaald als aangrenzende vallen kan worden in- en uitgeschakeld. Een lineaire serie van drie of meer adresseerbare resonatoren, waarbij elke resonator gevoelig is voor een polarisatie of golflengte van licht dan die van zijn buren, werkt als een optische transportband, transporteren nanoparticles over een afstand van enkele microns op een chip.

De zogenaamde 'Nano-Optical Conveyor Belt' (NOCB) is uniek onder de plasmonische resonator trapping regelingen, aangezien niet alleen kan het deeltjes zijn plaats te houden, maar het kan ze ook bewegen op hoge snelheid langs patroon sporen, te verzamelen of te verspreiden deeltjes, mixen en wachtrij hen, en ze zelfs door eigenschappen te sorteren, zoals hun mobiliteit ^23. Al deze functies worden geregeld door het moduleren van de polarisatie of golflengte van belichting, zonder de noodzaak van beam-steering optiek. Als een nabij-veld optische val, de NOCB vangen resolutie hoger is dan die van conventionele gefocusseerde bundel optische vallen, zodat onderscheid kan worden gemaakt tussen deeltjes dicht; omdat het gebruik maakt van een metalen nanostructuur aan het licht te concentreren in een trapping goed, het is energie-efficiënt, en geen dure optische componenten zoals een hoge NA doel nodig. Bovendien kunnen veel NOCBs parallel worden gebruikt, bij hoge verpakking dendiversiteit, op hetzelfde substraat en 1 W vermogen kunnen rijden over 1200 openingen ^23.

We hebben onlangs aangetoond dat de eerste polarisatie-driven NOCB, soepel voortbewegen van een nanodeeltje heen en weer over een 4,5 pm nummer ^24. In dit artikel presenteren we de stappen die nodig zijn om het apparaat te ontwerpen en te fabriceren, optisch activeren en te reproduceren het transport experiment. We hopen dat het maken van deze techniek op grotere schaal beschikbaar zal helpen bij het overbruggen van de kloof tussen de grootte van microfluidics, ver-veld optica en nanoschaal apparaten en experimenten.