Ultragevoelige detectie van deeltjes op nanoschaal heeft toepassingen op belangrijke gebieden, variërend van milieumonitoring tot analyse van virale structuren. Echter, het blijft extreem moeilijk vanwege de ultralage polariseerbaarheid van kleine, deeltjes met een lage index. Een team onder leiding van professor Xiao Yun-Feng aan de Universiteit van Peking, werkte samen met Yonsei University of Republic of Korea, experimenteel aangetoond dat de dissipatieve interactie in een optische microholte met hoge Q de detectie van enkele nanodeeltjes mogelijk maakt. Dit werk is gepubliceerd in een recent nummer van Fysieke beoordeling toegepast .

De afgelopen jaren is high-Q optische microholtes hebben een groot potentieel getoond in detectietoepassingen vanwege de sterk verbeterde licht-materie-interactie daarin. Het conventionele detectiemechanisme, echter, moet vertrouwen op de reactieve interactie. Reactieve detectie wordt beperkt door de polariseerbaarheid van het deeltje, en zal mislukken wanneer het reële deel van de polariseerbaarheid nul nadert. In de publicatie, de auteurs wezen erop dat de dissipatieve interactie een kanaal van het verval van de holtemodus opent en resulteert in de verandering van de resonantielijnbreedte, die een effectief detectieschema vormt, zelfs wanneer het reële deel van de polariseerbaarheid van de analyt nul nadert, omdat de signaalgrootte wordt bepaald door het absorptieverlies en zijverstrooiing van het deeltje.

In het experiment, detectie van enkele gouden nanostaafjes wordt gebruikt om de detectieprestaties te beoordelen. "De gouden nanostaaf met de grootte van 40 nm × 16 nm is om twee redenen een perfecte kandidaat om de microholtesensor te testen. Een daarvan is dat de polariseerbaarheid van dit nanodeeltje kan worden afgestemd door de golflengte van de sonde te variëren.De andere is dat de oppervlakte-plasmonresonantie van het deeltje van deze dimensie samenvalt met een van onze sondegolflengten in het experiment, waarbij het reële deel van de polariseerbaarheid nul wordt, hoogstwaarschijnlijk de reactieve detectiemethode ongeldig maken, maar de dissipatieve versterkende, " zei Dr. YanyanZhi, postdoctoraal onderzoeker en een van de eerste co-auteurs van dit werk.

De onderzoekers onderzochten zowel de reactieve als de dissipatieve detectiemethoden experimenteel door de modusverschuiving en de lijnbreedteverandering van de resonantie met hoge Q-holte te volgen, respectievelijk. Ze ontdekten dat het reactieve detectiesignaal niet kan worden onderscheiden van de geluiden wanneer de golflengte van de sonde zich op plasmonische resonantie bevindt, waarbij de polariseerbaarheid van de nanostaaf nul nadert; de voorgestelde dissipatieve detectiemethode werkt nog steeds goed, wat consistent is met de theoretische voorspellingen. De verwachte detectielimiet kan 13 nm × 5 nm bereiken, dat is ongeveer 12 keer kleiner in volume dan kan worden gedetecteerd door de reactieve detectiemethode.

Deze dissipatieve detectiemethode biedt niet alleen een nieuw fysiek mechanisme voor detectie van microholtes, maar vertegenwoordigt ook een belangrijke stap in de richting van praktische optische sensoren op het gebied van analytische chemie, Milieuwetenschappen, en moleculaire biologie.

"Praktisch, het is klaar dat zowel de modusverschuiving als de lijnbreedteverandering van de holtemodus gelijktijdig kunnen worden gemeten, en dus zijn de gemeenschappelijke reactieve en de voorgestelde dissipatieve detectiemethoden compatibel met elkaar, " zei prof. Xiao, "De combinatie van die twee detectiemethoden voegt nieuwe dimensies toe aan wat kan worden gemeten met elk van de twee methoden alleen. De dissipatieve detectiemethode met behulp van een microholte met hoge Q biedt een geweldig platform voor de detectie van kleine afzonderlijke deeltjes, zoals een vitaal virus, deeltjes in de vervuilde lucht, verliesgevende deeltjes in het productieproces, en andere nanodeeltjes in de belangstelling."