封面 | 等离激元anapole超构材料传感器

论文导读

      等离激元超构元件可在纳米尺度增强光与物质的相互作用，对环境变化等外部扰动具有很高的灵敏度，在传感领域具有广阔的应用前景。近日，香港城市大学电机工程系蔡定平教授课题组在PhotoniX上发表了题为Plasmonic anapole metamaterial for refractive index sensing的文章。该篇文章在光学频段实验证实了等离激元anapole超构材料传感器。通过集成两个谐振单元并调控其相互作用，有效地激励了anapole模式并获得了更高的谐振品质因子和局域电磁场增强。在环境折射率传感应用方面，实验上获得了330 nm/RIU的高灵敏度和8.7×10^-5 RIU的探测极限。这种超构元件为动态调控anapole模式提供了新思路，可广泛应用于生物传感和光谱学。

研究背景

      折射率测量与传感在化学和生物医学等领域发挥了重要作用。等离激元超构材料和超构表面可在纳米尺度束缚电磁场和增强光与物质的相互作用，对环境折射率变化具有高度灵敏性，在先进光学传感器方面具有很大潜力。传播性表面等离激元(SPP)和局域表面等离激元谐振(LSPR)是等离激元传感方面最常用的技术，通过调控纳米结构设计，可获得高灵敏度、高品质因数(FOM)和低探测极限的高性能传感器。此外，谐振模式间的相互作用也受到了广泛关注，如法诺谐振、准连续域束缚态和anapole模式等，可广泛应用于高性能无标记和实时传感。

      电磁anapole模式源于振荡电偶极矩和环形偶极矩远场辐射的相消干涉，呈现出光的无辐射状态。Anapole模式首先在微波波段由复合金属超构材料实现，之后推广到光学频段、高阶及磁anapole态等。高质量的anapole模式拥有高品质因子和强烈的电磁场增强，依赖于两偶极子激励间的精密平衡，对环境折射率变化等外部扰动高度敏感，适合用于增强非线性光学特性和高灵敏度传感应用。基于高折射率电介质纳米结构的anapole模式已有广泛研究，但其电磁场主要集中在材料内部且谐振强度较弱，限制了传感器件的实际性能。等离激元anapole模式具有优秀的电磁场分布与增强特性，但其在光学频段的传感应用方面仍缺乏实验研究。

技术突破

      本工作在光学频段实验证实了等离激元anapole超构材料在传感方面的应用。结构由上方穿孔金层与下方垂直劈裂环谐振器组成（图1），两谐振单元可单独激发对应的偶极子模式，无法直接激励anapole模式，但二者的多极子贡献以及电磁场分布为集成实现anapole模式提供可能。通过精确调控两谐振单元的相互作用，使整体器件电偶极矩与环形偶极矩在远场辐射的振幅相同、相位相反，在波长1340 nm处有效激励anapole模式，透射光谱表现为谐振峰，可获得比单一谐振单元更高的谐振品质因子和局域电磁场增强，且电磁场能量主要集中在结构外部（图2），有利于高性能传感。通过改变环境折射率，该器件在实验和仿真上分别获得了330 nm/RIU和445 nm/RIU的高传感灵敏度，基于光谱仪精度可获得实验探测极限为8.7×10^-5 RIU（图3）。

观点评述

      本研究工作在光学频段实验证明了基于等离激元anapole模式的超构材料传感器。通过集成两谐振单元的功能性，有效地激励并增强anapole模式，获得了优秀的折射率传感性能。该超构元件为灵活调控anapole模式开辟了新思路，未来可用于集成化、小型化的无标记实时病毒、生物分子等医学检测，也可广泛应用于传感以外的光谱学和非线性光学等方面。

主要作者

蔡定平教授，现任香港城市大学讲座教授。多年来致力于纳米光子学及光电物理领域前沿的实验与理论工作，积累了丰富的研究成果。在Science, Nature Nanotechnology, Physics Review Letters, Advanced Materials, Science Advances, Light: Science & Applications, Nature Communications, Nano Letters, Nano Energy等国际期刊发表论文共349篇(SCI Citation > 19,159 次, SCI H-index 64; Google Scholar Citation > 25,059 次, Google Scholar H-index 76)、专书（或专书节章）及会议论文共65 篇、技术报告及其它论文共38篇、国内外（美国、加拿大、日本及德国）专利共45项（69个）。先后当选中国光学学会(COS)、美国科学促进会(AAAS)、美国物理学会(APS)、国际电子电机工程师学会(IEEE)、光学学会(Optica)、国际光电工程学会(SPIE)、电磁科学院(EMA)、日本应用物理学会(JSAP) 、和亚太人工智能学会(AAIA)的会士(Fellow)。也先后当选亚太材料科学院(APAM)院士、俄罗斯国际工程学院(IAE)院士和美国国家发明家科学院(NAI)院士。曾荣获四十多项荣誉与奖励，包括：2020年度和2018年度中国光学十大进展、2020年和2019年全球高被引科学家(Web of Science Group/ Clarivate Analytics)、2018年国际光电工程学会(SPIE)墨子奖，以及多届国际学术会议最佳论文奖。迄今在国际会议作过326余次特邀报告（包含20 场全体会议和 61 场主题演讲），是光子学评论（Photonics Insights）及光：先进制造（Light: Advanced Manufacturing）的编辑，也担任12个国际期刊的编辑委员，多项国际知名期刊的文章审稿人。

• PhotoniX 属同行评议、开放获取（OA）高影响力国际期刊。是中国光学工程学会会刊，由中国光学工程学会、上海理工大学和西湖大学共同主办，由Springer Nature集团出版。上海理工大学顾敏院士和西湖大学仇旻教授担任期刊主编，庄松林院士担任期刊名誉主编。期刊拥有强大的国际编委和编辑团队。PhotoniX 主要报道国内外光学与光子学技术与信息、能源、材料、生命、精密制造、纳米、光电子器件、微纳米电子等学科交叉融合发展带来的颠覆性科研成果和最新的工程应用进展。以展现具有前沿性、多学科交叉和衍生性特点的技术为核心，成为推动国际前沿“使能技术”的平台。

• PhotoniX 现已被SCIE、SCOPUS、DOAJ、ProQuest、CNKI、INSPEC、Dimensions等多个数据库收录，并入选《2021年中国科学院文献情报中心期刊分区》。2022年6月获得首个影响因子：19.818，位列Q1区。

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