“極端光學研究創新團隊” 在Advanced Materials發表納米尺度單顆粒光學檢測研究綜述

近日，beat365官方网站、人工微結構和介觀物理國家重點實驗室肖雲峰研究員和龔旗煌院士等應邀在國際著名期刊Advanced Materials雜志發表題為“Single Nanoparticle Detection Using Optical Microcavities”的綜述論文（DOI: 10.1002/adma.201604920）。光學微腔傳感是近十幾年發展出來的一種超高靈敏檢測技術，檢測極限可達到單分子水平。微腔傳感已經在生化研究、環境檢測和國家安全等領域展現出巨大潛力，相關研究在國際學術界競争非常激烈。

超高靈敏傳感檢測技術，尤其是檢測極限達到納米尺度單顆粒的傳感技術對基礎研究和實際應用都具有十分重要的意義。例如，在生物化學領域，相對于團聚物表現出來的性質，人們迫切需要了解單個分子的行為；而單個病毒或者分子的快速檢測技術對制定合理的治療方案起着至關重要的作用；超高靈敏傳感技術也在環境監測以及國家安全等方面發揮着不可或缺的作用。其中，基于光學方法的傳感技術具有非物理接觸、非破壞、抗電磁幹擾和易于操作等優勢，成為高靈敏傳感研究的熱門方向之一。光學傳感的核心物理機制是探測光與待檢測物之間的相互作用；特别地，相互作用越強，檢測靈敏度越高。最近幾年，由于高品質因子光學微腔可以顯著增強光與物質的相互作用，被認為是納米尺度單顆粒檢測的最有潛力的體系之一。

這篇綜述首先回顧了光學微腔傳感的發展，主要圍繞回音壁模式微腔和光子晶體微腔，總結了光學微腔傳感的兩種傳感機制：色散性和耗散型傳感，并比較了通過透射譜和反射譜兩種測量方法所帶來的噪聲影響；接着介紹了在國際學術界微腔傳感的最新進展中，如何通過壓制實驗噪聲，制作增益腔，提高光譜分辨率，從而檢測到更小的納米尺度顆粒；以及如何通過微腔鎖模和振鈴現象提高測量的時間分辨率。在對光學微腔傳感的原理以及其在單個納米尺度顆粒檢測中的進展做出系統總結後，文章對微腔傳感實用化過程中存在的挑戰，比如傳感的穩定性和特異性，提出了可能的解決方案，并對微腔傳感未來的發展方向進行了展望。

“極端光學創新研究團隊”已在光學微腔傳感方面取得了一系列高水平的原創成果。例如，他們利用微腔增強的背向散射和微腔拉曼激光均實現了單個納米顆粒的檢測【PNAS 111(41), 14657(2014); Advanced Materials 25(39), 5616 (2013)】，成果入選“2014年度中國高校十大科技進展”；在利用超高品質因子光學微腔增強傳感靈敏度的基礎上，進一步開發出了一種基于耗散型相互作用的無标記傳感技術，并成功實現了納米尺度單顆粒的實時檢測【Physical Review Applied 5, 02401 (2016)】上，并同期評述為“朝着實用化光學傳感邁進了重要一步”。研究成果5次入選期刊封面，20餘次被Phys.org, Nanowerk和Materials Views等著名國際新聞網站亮點報道。最近，團隊成員肖雲峰研究員應邀在國際激光與光電子大會（CLEO）上組織微腔傳感的專題（Special symposium: Optical Microcavities for Ultrasensitive Detection）。CLEO大會是全球激光與光電子領域最頂級的大會之一，由美國光學學會（OSA）、國際電子電氣工程學會（IEEE）和美國物理學會（APS）聯合舉辦，每年一次。除了正常的會議日程，每次僅組織5-6個特别專題。

研究工作得到了國家自然科學基金委、科技部、中國博士後科學基金、人工微結構和介觀物理國家重點實驗室、量子物質科學協同創新中心和極端光學協同創新中心等的支持。