国际期刊权威Nature Communications（《自然•通讯》）发表徐红星院士研究组在表面等离激元光学传感研究方面取得的突破性进展，实现对纳米结构间距变化亚皮米（1皮米=10^-12米）精度的精确测量。

论文题为Probing of sub-picometer vertical differential resolutions using cavity plasmons（《利用腔等离激元实现纵向距离变化的亚皮米精度探测》）。研究工作主要由徐红星研究组的博士生陈文和副教授张顺平等完成，徐红星是责任作者。该工作在科技部和国家自然科学基金委项目的资助下完成。

据了解，徐红星早在1997年就发现相距几个纳米的两个金属纳米结构在光场的作用下通过纳米间隙产生强烈的电磁耦合，形成表面等离激元共振，这是纳米光学和等离激元光子学中最重要的光学效应之一，是许多前沿研究方向的物理基础。这种共振效应不仅可以在纳米间隙中产生巨大的电磁场增强，是单分子灵敏度的表面增强拉曼光谱的原因，而且共振波长对纳米结构的间距变化非常敏感，可以用于超灵敏的纳米位移/距离的光学传感，被称为等离激元尺子（PlasmonRuler）。这种等离激元尺子已被报道用于多种纳米材料和生物分子微弱变化的实时传感，如DNA链聚合，生物酶反应，分子吸附等的检测，传感精度可以达到亚纳米尺度。

徐红星研究团队设计了金属纳米线-间隙材料层-超光滑金膜的三明治复合平板纳米腔结构，通过测量纳米腔等离激元散射光谱的共振峰的移动来测定间隙材料层的微小厚度变化。为了演示该体系的传感灵敏性，研究团队选择了一种具有较大热膨胀系数的聚合物纳米薄膜作为间隙材料层，改变样品的温度可使间隙材料层的厚度发生微小的变化。通过排除热膨胀引起的折射率变化对共振峰位的影响，实验上证实了这种纳米腔等离激元传感器可以原位测定亚皮米的厚度变化，比之前报道的等离激元尺子的亚纳米精度高了几个数量级，创造了新的世界纪录。

由于这种等离激元纳米腔传感系统可以探测亚皮米尺度的距离变化，有望应用于原位探测原子级厚度的纳米材料中极其微弱的物理和化学过程，例如光致应力、压电效应、光机械、单分子吸附、热膨胀等，也可能用于重力和压力效应的精密测量。该工作将等离激元光学传感推进到了一个前所未有的灵敏度，将对探测极其微弱的物理、化学和生物过程，揭示其新规律和发展相应的新技术具有重要意义。

▲金属纳米线-间隙材料层-超光滑金膜组成的纳米腔结构及其表面等离激元共振对间隙材料层亚皮米厚度变化的灵敏响应

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-018-03227-7

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