Advanced Photonics Nexus 2024年第5期论文：
单分子颗粒传感器因其结构简单、携带方便等优点，在现代工程应用中起到了越来越重要的作用。然而其也存在体积大、不易于射频前端集成、对深亚波长尺度颗粒探测灵敏度低等问题。因此，小型化、低成本、易于平面集成是未来颗粒传感器的发展方向。
非厄米物理学研究的最新突破提供了前所未有的从基础理论到前沿应用的机遇。对光学领域来说，这些突破使得工作在奇异点（Exceptional Point, EP）的非厄米系统对微小颗粒的传感探测能力显著增强。然而，目前大多数EP在系统加工后就固定不变，不可调谐，故传感应用亟需可调谐或可重构的EP系统。
近日，南京航空航天大学李茁教授、罗宇教授研究团队提出了一种可调、可重构的EP传感系统。该传感系统仅由一个人工局域表面等离激元谐振器和一条微带线组成。研究团队基于该谐振器的多模式谐振特性，通过精准调控两个可移动瑞利散射体的位置，实现了五个连续可调谐和可重构的EP模式，且在探测深亚波长目标颗粒时具有极高的灵敏度，可探测到的最小粒子尺寸为0.001。该工作为基于人工表面等离激元的EP传感器设计开辟了一条新路径，为新型超高灵敏度传感应用提供了一种易于集成、可调谐和可重构的平台。相关研究成果以“Reconfigurable Exceptional Point-based Sensing with 0.001 Sensitivity Using Spoof Localized Surface Plasmons”为题，发表于Advanced Photonics Nexus 2024年第5期中，博士生张耀然为论文的第一作者。
人工局域表面等离激元谐振器（通常工作在微波频段）具有多模谐振特性，每个模式可分解为特征频率简并,且特征向量正交的顺时针（CW）和逆时针（CCW）两个传播模式。在没有外部扰动时，该谐振器工作在Diabolic Point（DP）状态，在空间上表现为驻波模式（图1左）。当在特定位置引入两个适当大小的瑞利散射体时，CW和CCW两个模式会形成非厄米简并（即二阶EP），此时特征频率及其对应的特征向量同时简并。EP传感器在顺、逆时针传播模式之间表现出不对称的背向散射，形成了单向的行波模式(图1右)。
图1 基于人工局域表面等离激元结构的可调谐和可重构EP传感系统示意图
研究团队使用矢量网络分析仪研究了该可重构EP传感器对深亚波长目标颗粒的探测能力。将人工局域表面等离激元谐振器的六极子到十四极子模式（M3-M7）分别调整到了EP状态，发现在EP状态下，由于引入的两个外部散射体带来了额外损耗，谐振峰的线宽出现明显增大。当引入单个被测颗粒后，EP传感器的频率分裂量明显大于DP传感器，灵敏度（频率分裂量）大幅提高。
图2 可调谐和可重构EP传感系统的灵敏度增强结果图。蓝色曲线表示在没有被测物的情况下DP和EP传感器的传输系数响应对比
研究团队进一步探究了DP和EP传感器对于不同尺寸被测颗粒的频率分裂量变化规律（图3）。发现在DP传感器到达最小探测颗粒极限以下，EP传感器仍然能够分辨出更小的颗粒。同时，该可重构EP传感器的显著优势在于，它在五个EP模式下都能够分辨出较小的颗粒物，且随着模式阶数的增加，最小可分辨的颗粒尺寸相应减小。研究团队还通过实验验证了工作在十四极子模式（M7）处的EP传感器能够分辨直径为0.1 mm（0.001）的目标颗粒。当模式阶数升高时，EP传感系统相应的品质因数也会增加，被测颗粒的最小可分辨尺寸相应减小。
图3 DP和EP传感器对不同尺寸被测颗粒产生的频率分裂响应的变化
该项研究工作通过两个可调节瑞利散射体对人工局域表面等离激元谐振器模式的扰动，提出并实现了一种可重构EP传感系统，在宽带频率范围内实现了五个连续EP状态。相比于DP传感器，实现了超过两倍的灵敏度增强，能够分辨的最小目标尺寸达到0.001。该工作不仅可以拓展到其它频段（如太赫兹/红外频率），还可应用于多通道非对称传输、可重构拓扑激光器、智能声子超材料等多种领域。
李茁，南京航空航天大学电子信息工程学院副院长，教授/博导。中国电子学会高级会员，中国电子学会天线分会委员，中国电子学会电磁兼容分会委员， 中国航空学会电磁环境效应分会委员，IEEE会员，Journal of Physics D: Applied Physics咨询委员会委员，IMT-2030（6G）推进组智能全息无线电任务组成员。在Nano Letters，Advanced Science, Laser & Photonics Reviews, Advanced Optical Materials 等国内外期刊上发表SCI论文160余篇，被引用2600余次。授权国家发明专利20余项，美国发明专利1项。主持国家重点研发计划子课题1项，自然科学基金2项、江苏省自然科学基金面上项目1项、空装预研基金1项、航空科学基金1项、横向课题40余项。2017年入选江苏省青年科技人才托举工程，2018年入选江苏省六大人才高峰项目工程，2022年入选江苏省青蓝工程中青年学术带头人。2019年获中国电子学会自然科学二等奖，2022年获江苏省科学技术一等奖。
罗宇，南京航空航天大学电子信息工程学院教授/博导，入选国家重大人才工程A类创新人才，江苏省特聘教授。师从电磁超材料先驱Sir John Pendry教授，研究方向为电磁超材料、表面等离激元、纳米光子学等。全职回国以前以项目负责人身份主持新加坡国家级项目6项，项目总经费（折合人民币）3000余万元。近五年发表论文52篇，包括Nature Photonics 1篇、Nature Electronics 1篇、Nature Communications 5篇、PRL 1篇、Advanced Materials 2篇、Optica 1篇, 国家科学评论（National Science Review）3篇等，SCI引用6000余次。担任Science，Nature Materials，Nature Communications等国际期刊审稿人、瑞士国家科学基金评审人。
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