江南大学匡华教授团队与海外合作者报道准确探测圆偏振光的新方法
2024/04/28
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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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