华盛顿大学 该团队设计和制造的金“棒棒糖”的单个纳米圆盘和纳米棒
信用:菲利普Rack 原子中的电子很有天赋
它们可以形成化学键，被踢出原子，甚至根据它们的能量状态“跳跃”到不同的位置
1961年，原子物理学家乌戈·法诺提出理论，认为电子蕴藏着另一种意想不到的天赋:当它们同时采取两种不同的量子力学路径时，它们可以自我干扰
在一条路径上，它们在原子内部离散的能态之间跳跃
在另一条路径上，它们从原子跳到自由空间的连续体中
法诺在研究了由电子束激发的氦气的电子光谱后发展了他的理论
根据法诺的理论，氦原子中的电子通过两种类型的能量转换运动，一种是离散的，另一种是连续的，这通过它们的同步混合导致了相消干涉
尽管距离法诺发表他的理论解释——现在被称为法诺干涉——已经过去了将近60年，但科学家们一直在努力用电子显微镜在纳米尺度上观察这种效应
根据10月10日发表的一篇论文，由华盛顿大学和圣母大学的科学家领导的一个小组利用电子显微镜的最新进展，直接观察到一对金属纳米粒子中的法诺干扰
《物理评论快报》有21篇，由杂志编辑重点报道
“法诺描述了在这些系统中可能发生的一种复杂的——甚至是违反直觉的——能量转移类型，”合著者、UW化学教授大卫·马西洛说
“这就像有两个孩子在相邻的秋千上，他们之间的耦合很弱:你推一个孩子，但那个秋千不是那个会动的
相反，另一个孩子的秋千会因为这种干扰而移动
这是单向能量转移
" 理论家马西洛与合著者、实验主义者、圣母大学化学和生物化学教授乔恩·卡姆登合作，研究电子显微镜中的法诺干涉
在2013年发表在美国国家科学院院刊《纳米》上的一篇文章中，他们两人和UW的马西洛团队成员一起提出理论，认为他们可以在某些类型的等离子体纳米结构中引发法诺干涉
这些是可通过实验测试的系统——通常由银或金或类似的铸币金属组成——在这些系统中，电子可以在光或电子束的作用下很容易地被移动和“激发”
马西埃罗和卡姆登认为，有可能设计和建造一个系统，利用纳米级等离子体元件来表现出法诺干扰
但是，创造这种效应需要极其精确的电子束，其中电子都具有大致相同的动能
研究人员与橡树岭国家实验室的科学家胡安·卡洛斯·伊德罗波合作
橡树岭拥有先进的电子显微镜设备，包括团队需要的单色像差校正扫描透射电子显微镜
“这是电子显微镜的兰博基尼，它代表了电子显微镜技术的一个非常新的和复杂的进步，”马西洛说
“这个实验即使在几年前也是不可能的
" 但是设计和制造正确的等离子体系统对团队来说也是一个挑战
“问题是，‘我们能在电子显微镜中看到这种法诺干涉吗？’比我们想象的要复杂得多，”卡姆登说
“早期，我们意识到我们团队提出的想法行不通
但最终，通过反复试验，我们做对了
" 马西洛的团队致力于等离子体理论和电子显微镜理论
他们使用等离子体系统行为的分析模型来设计全等离子体系统的物理布局，以及解释光谱
这个系统将编码研究小组在显微镜散射电子上寻找的干涉效应
第一作者、UW物理学博士生凯宾·史密斯认为“金棒棒糖”是最佳选择
他设计的系统由一个薄的金盘组成——直径只有650纳米——紧挨着一个只有5000纳米长的金纳米棒，但不接触它
作为参考，大约20个首尾相连排列的纳米棒相当于一张纸的厚度
根据史密斯的理论设计和数学分析，一束指向棒棒糖金色圆盘外面的电子束会触发费诺干涉的信号:在遥远的棒内的电子会开始振荡，只被驱动穿过圆盘
“这正是我们在橡树岭的合作者测试该系统时观察到的，”史密斯说
该团队的成功不仅证明了使用电子束在等离子体系统中直接激发法诺干涉是可能的
它还为复杂的电子显微镜的工作提供了新的理论框架和模型，就像橡树岭国家实验室的设备一样
“这种类型的电子显微镜有令人兴奋的精确度，”马西洛说
“这为更多类似的实验打开了大门——将原子尺度的空间分辨率与从可见光谱到远红外的高光谱分辨率相结合
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