研究小组使用金色的棒棒糖观察纳米级难以捉摸的干扰效应

原子中的电子非常有才华。它们可以形成化学键，被踢出原子，甚至根据其能量状态“跳”到不同的位置。

1961年，原子物理学家乌戈·法诺(Ugo Fano)提出了电子具有另一种出乎意料的才能的理论：电子可以同时通过两种不同的量子力学路径来干扰自身。在一条路径上，它们在原子之间在离散的能量状态之间跳跃。在另一条路径上，它们跳离原子，进入自由空间的连续区域。法诺研究电子束激发的氦气的电子光谱后发展了他的理论。根据Fano的理论，氦原子中的电子正在通过两种类型的能量跃迁移动，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破坏性干扰。

尽管自Fano发表他的理论解释(现在称为Fano干扰)已经过去了60年，但科学家们仍在努力地使用电子显微镜在纳米级上观察这种效应。10月21日在《Physical Review Letters》上发表的一篇论文指出，由华盛顿大学和圣母大学的科学家领导的团队利用电子显微镜的最新进展直接观察了一对金属纳米颗粒中的Fano干扰。期刊的编辑。

华盛顿大学化学教授大卫·马西耶洛(David Masiello)表示：“法诺描述了在这些系统中可能发生的复杂的，甚至违反直觉的能量转移类型。” “这就像在相邻的秋千上有两个孩子之间彼此耦合较弱：您推动一个孩子，但是那个秋千不是移动的那个。相反，另一个孩子的秋千由于这种干扰而移动。这是单向的能量转移。”

理论家Masiello与通讯作者，圣母大学化学与生物化学教授乔恩·卡姆登(Jon Camden)合作研究电子显微镜中的Fano干扰。在ACS Nano的2013年出版物中，他们中的两个人以及西澳大学Masiello小组的成员认为，它们可以在某些类型的等离子体纳米结构中引发Fano干扰。这些是可通过实验测试的系统，通常由银或金或类似的造币金属组成，在其中，电子可以很容易地动员并响应光或电子束而“激发”。

Masiello和Camden相信有可能设计和构建一个系统，该系统将使用纳米级等离子体组件显示Fano干扰。但是，要产生这种效果将需要极其精确的电子束，其中所有电子都具有大致相同的动能。研究人员与橡树岭实验室的科学家Juan Carlos Idrobo合作。Oak Ridge拥有先进的电子显微镜设备，包括该团队所需的单色像差校正的扫描透射电子显微镜。

Masiello说：“这是电子显微镜的兰博基尼，它代表了电子显微镜领域的最新和复杂的发展。” “这项实验甚至在几年前是不可能的。”

但是，设计和制造正确的等离激元系统对团队来说也是一个挑战。

“我们能否在电子显微镜中看到这种Fano干扰?” 比我们预期的要复杂得多。”卡姆登说。“很早以前，我们意识到我们的团队提出的想法没有用。但是最终，通过反复试验，我们把想法弄对了。”

Masiello的团队研究等离激元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，并解释其频谱。该系统将对团队寻求的对显微镜散射电子的干扰效应进行编码。第一作者和威斯康星大学物理学博士生凯文·史密斯(Kevin Smith)认为“黄金棒棒糖”是最佳选择。他设计的系统由一个直径仅为650纳米的薄金盘组成，它紧挨着但不接触只有5,000纳米长的金纳米棒。作为参考，这些纳米棒中约20个(首尾相连)将等于一张纸的厚度。

根据史密斯(Smith)的理论设计和数学分析，指向棒棒糖金色圆盘外侧的电子束会触发Fano 干扰的明显迹象：遥远的杆内的电子将开始振荡，仅通过圆盘驱动。

史密斯说：“这正是我们在橡树岭(Oak Ridge)的合作者测试该系统时所观察到的。”

该团队的成功不仅证明可以使用电子束直接在等离子体系统中激发Fano干扰。它还提供了用于复杂电子显微镜的新理论框架和模型，例如Oak Ridge实验室中的设施。

Masiello说：“这些类型的电子显微镜具有令人兴奋的精确度。” “这为诸如此类的更多实验打开了大门-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结合在一起。”