圖8 以碳納米管為載體，基于雙光Pump-probe技術和傳統(tǒng)的電學測量構成的質(zhì)譜儀的靈敏度對比圖。(a)和(b)分別為在Pump-probe技術下，基于碳納米管和碳納米管-等離子體耦合系統(tǒng)光學質(zhì)譜儀的光譜圖。(c)為在傳統(tǒng)的電學測量技術下，基于碳納米管質(zhì)譜儀的光譜圖。

圖9 (a)一個氣體噴嘴通過擋板把DNA分子噴到圓盤式納米機械振子的表面。此振子是一個自由振動的拉緊式圓形鼓狀平行班電容器的上板面。(b)為(a)圖對應的測量電路的圖。其中，納米機械振子通過電路與超導微波腔耦合，L為等效電感，C為等效電容。兩個頻率分別為ωpu和ωpr的微波同時作用于此系統(tǒng)。機械振子的振動通過一個低噪聲的冷凍放大傳輸裝置探測。

(3)基于腔機電系統(tǒng)的光學質(zhì)譜儀。

圖9為基于腔機電系統(tǒng)的納米光學質(zhì)譜儀。其中機械振子位于電容為C的平行板電容器的上板。通過一個氣體噴嘴把要測量的外界分子(如DNA分子等)噴灑在于此上板。機電微波腔具有振動頻率ωc。納米機械振子具有振動頻率ωn。圖(b)為圖(a)的等效電路。通過這樣一個微波系統(tǒng)，分別測量出放入外界粒子前后納米機械振子的振動頻率，然后再根據(jù)公式(2)就可以得到放入的外界粒子的質(zhì)量。與以上幾種光學質(zhì)譜儀不同的是，此腔機電光學質(zhì)譜儀是作用在微波段，在實驗上更容易探測到。

(4)納米非線性光學質(zhì)譜儀。

以上介紹的幾種納米光學質(zhì)譜儀都是在線性光學領域進行的質(zhì)量探測。其實除了線性光學，在非線性光學范圍也能夠進行粒子質(zhì)量的測量，我們稱之為納米振子非線性光學質(zhì)譜儀，如圖10所示。之前很多研究學者都證明過，通過非線性光學測量，一些感應器在性能和噪聲處理方面都比線性光學有很大的優(yōu)越性。

圖10為非線性光學質(zhì)譜儀的結構圖，由一個環(huán)形腔光機械系統(tǒng)構成。環(huán)形腔的振動類比于經(jīng)典腔光系統(tǒng)中機械振子的振動。在一束強泵浦光和一束弱信號光的作用下，光腔光場與振子振動耦合時候，分別各自劈裂成兩個新的能級，這就與前面介紹過的納米機械振子和量子點的耦合模型類似。所不同的是，此時探測的并不是透射光的線性吸收譜，而是透射光的非線性吸收譜。經(jīng)過計算，上海交通大學物理系朱卡的研究團隊證明出在非線性光學領域，同樣也可以得到腔光機械振子的振動頻率。前后兩次測量到振子的振動頻率后，根據(jù)公式(2)就可以實現(xiàn)納米光學質(zhì)譜過程。圖11為利用此系統(tǒng)進行頻率測量時透射光的非線性光學吸收譜。圖中選取的被測粒子為染色體分子，當把染色體分子放到圖10(a)的環(huán)形盤中時，振子的固有振動頻率發(fā)生變化。頻率變化前后的非線性光學吸收譜分別對應圖11的紅色峰和黑色峰。我們觀察到兩個峰之間的頻率差為Δω=3 kHz，把此頻率差代入到(2)式便可以得到外界染色體分子的總質(zhì)量。其中，右上角的插入圖為放入的染色體分子數(shù)目與振子振動頻率的變化關系。放入的粒子越多，對應粒子的質(zhì)量越大，振子的固有振動頻率變化的就越大。被測粒子的質(zhì)量與振子振動頻率為線性關系。

圖10 環(huán)形腔光系統(tǒng)和經(jīng)典腔光系統(tǒng)的對比圖。(a)一束強泵浦光和一束弱信號光照射在環(huán)形腔光系統(tǒng)上，用于測量外界粒子的質(zhì)量。(b)經(jīng)典的腔光機械系統(tǒng)，它包含兩個鏡面，其中一個鏡面固定，另外一個鏡面可以移動并且通過彈簧與機械振子相連。

圖11 基于環(huán)形腔光機械系統(tǒng)的非線性納米光學質(zhì)譜過程中，透射光的非線性譜。圖中插入圖為放入的外界染色體分子數(shù)目與振子頻率的變化關系。

鏈接:

朱卡的(1960－)，1991年于上海交通大學獲理學博士學位。1993年至1995年在日本東京大學物理系做博士后，2000～2001年作為高級訪問學者訪問哈佛大學物理系。現(xiàn)任上海交通大學凝聚態(tài)物理研究所副所長，教授，博士生導師。從事凝聚態(tài)物理學的教學和研究工作。主要研究方向為低維半導體物理學，量子非線性光學，介觀量子光學，固體量子信息和量子計算等。朱卡的教授已在SCI收錄的學術期刊上發(fā)表論文38篇，其中作為第一作者的34篇。著作、論文引用總數(shù)235次，他引180次(至2003年3月)。主要學術成績:(1)在國際上第一次提出內(nèi)稟自局域弗蘭克爾激子的概念;(2)在國際上首次給出量子盒中電子與受限LO聲子相互作用哈密頓量，并由此證明對較小量子盒必須考慮聲子的受限效應;(3)系統(tǒng)、全面地研究了量子點和量子線中電子－聲子相互作用對電子態(tài)和雜質(zhì)態(tài)的影響;(4)創(chuàng)新地提出了有機分子晶體薄膜中相互作用電荷轉(zhuǎn)移激子的非線性光學理論;(5)在國際上第一次理論證明在強耦合激子－聲子系統(tǒng)中同樣存在電磁誘導透明效應和超慢光速效應，但其機制與通常的三能級原子系統(tǒng)不同。這些理論在其發(fā)明的納米光學質(zhì)譜議上得到了充分應用。1998年獲全國優(yōu)秀教師榮譽稱號。1999年獲上海市教委跨世紀人才“曙光計劃”基金資助。2001年獲國家教育部《跨世紀優(yōu)秀人才培養(yǎng)計劃》基金的資助。