研究小组使用金棒棒糖来观察难以捉摸的纳米级干扰效应

原子中的电子很有天赋。它们可以形成化学键，被踢出原子，甚至根据能量状态“跳到”不同的位置。

1961年，原子物理学家乌戈法诺提出了电子还有另一个意想不到的天赋的理论：它们可以同时通过两个不同的量子力学路径来干扰自己。在一条路径上，它们在处于离散能量状态的原子之间跳跃。在另一条路径上，它们跳出原子，进入自由空间的连续区域。法诺在研究了电子束激发的氦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。

虽然距离法诺发表他的理论解释(现在称为法诺干涉)已经过去了60年，但科学家们仍在试图用电子显微镜在纳米尺度上观察这种效应。《PhysicalReviewLetters》年10月21日发表的一篇论文指出，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，直接观察到了一对金属纳米粒子中的Fano干涉。期刊编辑。

华盛顿大学化学教授大卫马西洛说：“法诺描述了这些系统中可能发生的复杂甚至违反直觉的能量转移类型。”“这就像两个孩子在相邻的秋千上弱耦合：你推一个孩子，但那个秋千不是移动的。相反，另一个孩子的秋千由于这种干扰而移动。这是单向的能量传递。”

理论家马西洛与通讯记者、圣母大学化学与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ACSNano2013年的出版物中，他们两人和西澳大利亚大学Masiello小组的成员认为，他们可以在某些类型的等离子体纳米结构中引起Fano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，电子可以很容易地被调动起来，并在光或电子束的作用下被“激发”。

Masiello和Camden认为，有可能设计和建造一个系统，使用纳米级等离子体组件来显示Fano干扰。然而，为了产生这种效应，将需要一个极其精确的电子束，其中所有电子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博合作。橡树岭拥有先进的电子显微镜设备，包括扫描透射电子显微镜，用于团队所需的单色像差校正。

马西洛说：“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。”"这个实验即使在几年前也是不可能的。"

然而，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。

"我们能在电子显微镜中看到这种法诺干涉吗？"这比我们预期的要复杂得多。“卡姆登说。”很久以前，我们意识到我们团队提出的想法是无用的。但最终，通过反复试验，我们得到了正确的想法。"

马西洛的团队研究了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整个等离子体系统的物理布局，并解释其频谱。该系统将对该团队寻找的显微镜散射电子的干涉效应进行编码。第一作者、威斯康星大学物理学博士凯宾史密斯认为“金棒棒糖”是最好的选择。他设计的系统由一个直径只有650纳米的薄金盘组成，它与长度只有5000纳米的金纳米棒相邻，但不接触。作为参考，大约20个这样的纳米棒(首尾相连)将等于一张纸的厚度。

根据史密斯的理论设计和数学分析，指向棒棒糖金盘外侧的电子束会触发明显的Fano干涉迹象：远处棒中的电子会开始振荡，只受圆盘驱动。

史密斯说：“这正是我们在橡树岭的合作者在测试该系统时观察到的情况。”

这个团队的成功不仅证明了利用电子束可以在等离子体系统中直接激发出Fano干涉。它还为复杂的电子显微镜提供了新的理论框架和模型，例如橡树岭国家实验室的设施。

马西洛说：“这些类型的电子显微镜具有令人兴奋的精确度。”“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结合起来。”

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