Ultrakänslig detektering av partiklar i nanoskala har tillämpningar inom viktiga områden, från miljöövervakning till analys av virala strukturer. Dock, det förblir extremt svårt på grund av ultralåg polariserbarhet av små, lågindexpartiklar. Ett team ledd av professor Xiao Yun-Feng vid Pekings universitet, samarbetade med Yonsei University of Republic of Korea, demonstrerade experimentellt att den dissipativa interaktionen i en optisk mikrokavitet med hög Q tillåter detektering av enstaka nanopartiklar. Detta arbete har publicerats i ett färskt nummer av Fysisk granskning tillämpas .

Under de senaste åren, optiska mikrokaviteter med hög Q har visat stor potential i avkänningsapplikationer på grund av den starkt förbättrade ljus-materia-interaktionen däri. Den konventionella avkänningsmekanismen, dock, måste förlita sig på den reaktiva interaktionen. Reaktiv avkänning begränsas av partikelns polariserbarhet, och kommer att misslyckas när den verkliga delen av polariserbarheten närmar sig noll. I publikationen, författarna påpekade att den dissipativa interaktionen öppnar en kanal för kavitetsmodsavklingningen och resulterar i förändringen av resonanslinjebredden, som bildar ett effektivt avkänningsschema även när den verkliga delen av analytens polariserbarhet närmar sig noll, eftersom signalstorleken bestäms av partikelns absorptionsförlust och sidospridning.

I experimentet, detektering av enstaka guld nanorods används för att bedöma avkänningsprestandan." Guld nanorod av storleken 40 nm×16 nm är en perfekt kandidat för att testa mikrokavitetssensorn av två skäl. Den ena är att polariserbarheten hos denna nanopartikel kan ställas in genom att variera sondens våglängd. Den andra är att ytplasmonresonansen för partikeln av denna dimension sammanfaller med en av våra sondvåglängder i experimentet, där den reella delen av polariserbarheten blir noll, sannolikt ogiltigförklarar den reaktiva avkänningsmetoden, men stärker den försvinnande, " sa Dr YanyanZhi, postdoktor och en av de första medförfattarna till detta arbete.

Forskarna undersökte experimentellt både de reaktiva och dissipativa avkänningsmetoderna genom att övervaka modförskjutningen och linjebreddsförändringen av resonansen med hög Q-kavitet, respektive. De fann att den reaktiva avkänningssignalen inte kan urskiljas från bruset när sondens våglängd är på plasmonisk resonans där nanorodpolariserbarheten närmar sig noll; den föreslagna dissipativa avkänningsmetoden fungerar fortfarande bra, vilket överensstämmer med de teoretiska förutsägelserna. Den förväntade detektionsgränsen kan nå 13 nm×5 nm, som är cirka 12 gånger mindre i volym än vad som kan detekteras med den reaktiva avkänningsmetoden.

Denna dissipativa avkänningsmetod tillhandahåller inte bara en ny fysisk mekanism för mikrokavitetsavkänning, men representerar också ett viktigt steg mot praktiska optiska sensorer inom analytisk kemi, miljövetenskap, och molekylärbiologi.

"Praktiskt taget, det är klart att både lägesförskjutningen och linjebreddsändringen i kavitetsläget kan mätas samtidigt, och därför är de vanliga reaktiva och de föreslagna dissipativa avkänningsmetoderna kompatibla med varandra, " sa prof. Xiao, "Kombinationen av dessa två avkänningsmetoder lägger till nya dimensioner till vad som kan mätas med var och en av de två metoderna ensam. Den dissipativa avkänningsmetoden som använder en hög-Q-mikrokavitet erbjuder en fantastisk plattform för detektering av små enstaka partiklar, såsom livsviktigt virus, partiklar i den förorenade luften, förlustpartiklar i tillverkningsprocessen, och andra nanopartiklar under intresse."