斜入射光在拓扑绝缘体金属多层核-壳体表面产生可调谐非梯度光学力的方法
【专利说明】 斜入射光在拓扑绝缘体金属多层核-壳体表面产生可调谐
非梯度光学力的方法
技术领域
[0001]本发明涉及一种斜入射光在拓扑绝缘体金属多层核-壳体表面产生可调谐非梯度光学力的方法，可应用于生物、医学及纳米操控等领域。
【背景技术】
[0002]对微小物体的光学捕获和筛选一直是光学领域的研究热点。光学梯度力在各种光学捕获技术中扮演着重要的角色，例如通过光学梯度力实现的光镊和光学捆绑等。然而，光学梯度力具有产生设备复杂、不可调谐和难以捕获和筛选纳米尺寸分子等缺点。2008年，Ward, T.J.等提出通过圆偏振光产生的光学梯度力可以捕获和分离具有纳米尺寸的手性分子。但是，圆偏振入射光仍然需要使用复杂的设备来产生，不利于系统的实际应用；且其捕获和分离的纳米分子必需具有手性结构，因此限制了其作用对象的范围。所以，本发明提出在拓扑绝缘体/金属多层核-壳体表面覆盖纳米尺寸分子，使其在线偏振倾斜入射光照射下在多层核-壳体周围产生非梯度光学力；然后，利用拓扑绝缘体量子态随外加光场、电场、温度场、压力场、和磁场改变而变化的特性，调谐多层核-壳体受到的非梯度光学力大小和方向，从而实现对附着在多层核-壳体表面的纳米尺寸分子的捕获和筛选，其中纳米尺寸分子可以为非手性结构。
【发明内容】
[0003]本发明的目的在于克服了利用梯度光学力捕获和筛选纳米尺寸分子这一传统方法中所具有的入射光源复杂(即入射光必需为圆偏振或椭圆偏振)、筛选对象局限(即纳米尺寸分子必需具有手性结构)、由圆偏振或椭圆偏振光产生的梯度光学力不可调谐、以及难以捕获纳米尺寸非手性分子等不足，而提供一种具有系统简单、操作方便、超灵敏、超快速、主动调谐等优点的由线偏振倾斜入射光产生的非梯度光学力捕获和筛选非手性纳米尺寸分子的方法，可用于生物，医学以及纳米操控等领域。
[0004]本发明解决问题采用的技术方案如下:
[0005]—种斜入射光在拓扑绝缘体金属多层核-壳体表面产生可调谐非梯度光学力的方法，通过使线偏振入射光倾斜照射拓扑绝缘体/金属多层核-壳体，破坏拓扑绝缘体/金属多层核-壳体周围的玻印亭矢量对称分布，使多层核-壳体上的总玻印亭矢量不为零，产生非梯度光学力；且该总玻印亭矢量随拓扑绝缘体的量子态的变化发生改变，进而改变总玻印亭矢量作用在多层核-壳体上的非梯度光学力的方向和大小，来调控多层核-壳体在入射光场中的运动轨迹，从而对附着在多层核-壳体表面的纳米尺寸分子进行可调谐捕获和筛选，其中多层核-壳体处于入射光束内，且偏离光束沿入射方向的中心对称轴(z轴)的距离为1(0彡I彡w(Z))，W(Z)为入射光束宽，随z的变化发生改变(-cx^K+cx^);多层核-壳体由金属层、拓扑绝缘体层交替生长而成，层数为η层(η>1)，每层厚度在I纳米至I微米；多层核-壳体的外形可以是球体、椭球体、圆柱体、圆锥体等曲面几何体或者棱柱、正方体、长方体等多面体，体积在I立方纳米至1000立方微米；多层核-壳体中核与壳的中心可以重叠或分离。
[0006]所述的线偏振入射光为线偏振非平面波或平面波，类型包括高斯波、贝塞尔波、艾里波等；入射光倾斜照射拓扑绝缘体层/金属多层核-壳体，入射角Θ范围是
O。〈 Θ〈90° ;频率范围为 0.3 μ m ?20 μ m ;功率范围为 0.1mW/μ m2?1mW/μ m2。
[0007]所述的入射光的光源采用波长可调谐激光器、半导体连续或准连续激光、或者发光二极管。
[0008]所述的表面附有纳米尺寸分子的拓扑绝缘体/金属多层核-壳体，金属层是Al、Ag、Au、Cu、N1、Pt 等。
[0009]所述的表面附有纳米尺寸分子的拓扑绝缘体/金属多层核-壳体，拓扑绝缘体是BixSb1 x、HgTe、Bi2Te3' Bi2Se3或 Sb 2Te3。
[0010]所述的表面附有纳米尺寸分子的拓扑绝缘体/金属多层核-壳体，纳米尺寸分子可以具有非手性结构或手性结构，如抗原，抗体，酶，激素，胺类，肽类，氨基酸，维生素等。
[0011]所述的表面附有纳米尺寸分子的拓扑绝缘体/金属多层核-壳体，多层结构通过材料生长工艺实现，包括磁控溅射、电子束蒸发、金属有机化合物化学气相沉淀、气相外延生长、分子束外延。
[0012]所述的表面附有纳米尺寸分子的拓扑绝缘体/金属多层核-壳体，可以通过光照、通电、加热、加压、和外加磁场等方式实现拓扑绝缘体从拓扑非平庸到拓扑平庸的可逆量子相变。
[0013]本发明系统由光源、显微镜和光学力显示器构成。测试前将表面附有纳米尺寸分子的拓扑绝缘体/金属多层核-壳体置于装有水或油的样品池中，在线偏振光波的倾斜照射下，破坏拓扑绝缘体/金属多层核-壳体周围的玻印亭矢量对称分布，使多层核-壳体上的总玻印亭矢量不为零，产生非梯度光学力；然后，通过改变拓扑绝缘体的量子态，改变多层核-壳体上的总玻印亭矢量，进而改变总玻印亭矢量作用在多层核-壳体上的非梯度光学力的方向和大小，来调控多层核-壳体在入射光场中的运动轨迹，从而对附着在多层核-壳体表面的纳米尺寸非手性分子进行可调谐捕获和筛选。显微镜可以用来观测表面附有纳米尺寸非手性分子的拓扑绝缘体/金属多层核-壳体在入射光作用下所产生的运动轨迹。所述显微镜可以采用普通荧光垂直或正置显微镜。
[0014]所述系统可以通过简单的线偏振倾斜入射光实现对具有纳米尺寸非手性结构物体的可调谐捕获和筛选。克服了利用梯度光学力捕获和筛选纳米尺寸分子这一传统方法中所具有的入射光源复杂(即入射光必须为圆偏振或椭圆偏振)、筛选对象局限(即纳米尺寸分子必须具有手性)、由圆偏振或椭圆偏振光产生的梯度光学力不可调谐、以及难以捕获纳米尺寸分子等问题，具有系统简单、操作方便、超灵敏、超快速、主动调谐等优点，可用于生物，医学以及纳米操控等领域。
【附图说明】
[0015]图1为表面附有纳米尺寸分子的拓扑绝缘体/金属多层核-壳体示意图。
[0016]图2为由线偏振倾斜入射光产生的非梯度光学力捕获表面附有纳米尺寸分子的拓扑绝缘体/金属多层核-壳体的过程示意图。
[0017]图3为由线偏振倾斜入射光产生的非梯度光学力捕获表面附有纳米尺寸分子的拓扑绝缘体/金属多层核-壳体的系统测试示意图。
[0018]图中:I拓扑绝缘体层，2金属层，3拓扑绝缘体/金属多层核-壳体，4纳米尺寸分子，5光源，6显微镜，7光学力显示器，8样品池，9控温器，10 CXD摄像机，11监视器，12计算机，13录像机。
【具体实施方式】
[0019]为使得本发明的技术方案的内容更加清晰，以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的【具体实施方式】。其中的材料生长技术包括:磁控溅射，电子束蒸发，金属有机化合物化学气相沉淀，气相外延生长，和分子束外延技术等常用技术。