王兴军、肖云峰和龚旗煌联合课题组在纳米尺度单颗粒检测中取得重要进展

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日前，北京大学纳光电子前沿科学中心王兴军课题组（信息科学技术学院电子学系）和肖云峰、龚旗煌课题组（物理学院）在微纳光学传感研究中取得重要进展。他们利用光学暗场外差干涉仪和频率变换相结合的传感新方法，将实时信号采样噪声降低了两个数量级，并成功实现了聚苯乙烯纳米微粒和单个病毒样颗粒的高灵敏度检测。
        光学倏逝场传感器具有超高灵敏度和非标记等独特优势，在精密测量、环境安全、生命健康等多领域应用中发挥着重要作用。然而，在传感过程中固有的低频电噪声，主要包括1/f 低频噪声，导致很多重要生化过程（例如抗原-抗体反应、细胞运动和脱氧核糖核酸杂交等）的动态监测难以实现。
        为此，联合课题组提出一种通过光学暗场外差干涉仪与频率变换相结合的传感新方法，可对1/f 噪声进行高效抑制【图(a)】，并通过CMOS兼容的暗场外差波导干涉结构实现了纳米尺度单颗粒的超高灵敏度检测【图(b)】。实验中，采样噪声幅度被抑制了两个数量级，使得成功检出半径为30 nm的单个聚苯乙烯颗粒（信噪比高于14 dB）和人类免疫缺陷病毒1型（HIV-1）病毒样颗粒（SNR～20 dB）。通过对传感信号的统计和分析，检测极限有望进一步提升，并实现对纳米颗粒尺寸的精确测量。与此同时，联合课题组还提出集成波导阵列的方案，大幅度提升检测速度，有望实现对多种病毒或分子进行复合型检测。

(a)1/f  噪声抑制机制；(b)基于片上波导暗场外差干涉仪的单颗粒检测

        2021年3月30日，相关研究成果以《1/f 噪声抑制的片上光学传感》（“1/f -noise-free optical sensing with an integrated heterodyne interferometer”）为题，在线发表于《自然·通讯》（Nature Communications）；第一作者是北京大学2017级博士研究生金明和“博雅”博士后唐水晶，通讯作者为王兴军教授和肖云峰教授。重要合作者、工学院陈匡时研究员提供了HIV-1病毒样颗粒，有力支撑了本项研究。
上述工作得到国家自然科学基金、国家重点研发计划、人工微结构和介观物理国家重点实验室、区域光纤通信网与新型光通信系统国家重点实验室和北京大学高性能计算平台等支持。
       北京大学纳光电子前沿科学中心简介：
       北京大学纳光电子前沿科学中心是我国实施“高等学校基础研究珠峰计划”的核心内容，是教育部推动高等学校加强基础研究、实现创新引领的重要举措，于2018年正式启动。北京大学纳光电子前沿科学中心作为获得首批立项的前沿科学中心之一，旨在打破学科界限和院系壁垒，融合集成纳光子与微电子的优势，开展基础性、前瞻性、多学科深度交叉融合的创新研究。中心围绕纳光电子物理与器件、纳光电子集成与测试、纳光电子芯片与应用等三大方向开展研究，汇聚了包括光学、凝聚态物理、微电子与固体电子学、物理电子学、通信与信息系统等多学科的骨干力量，推动研究的深度交叉和高度融合。成立两年来，已在队伍建设、平台建设等方面取得显著成效：新增中国科学院院士1名、教育部“长江学者奖励计划”特聘教授2名、国家杰出青年科学基金获得者3名、卓越青年科学基金获得者1名等；在《科学》（Science）、《自然》（Nature）发表论文6篇，子刊20余篇；研究成果4次入选中国光学十大进展，在首届中国半导体十大研究进展评选中独中四元，充分展现出面向世界科技前沿和国家重大需求的创新研究激发的新活力和新动力。中心首席科学家由物理学院龚旗煌院士担任，学术委员会主任由信息科学技术学院黄如院士担任。


        文章来源：北京大学
       王兴军，男，北京大学教授，博士生导师，区域光纤通信网与新型光通信系统国家重点实验室副主任，信息与通信研究所副所长，国家自然科学基金重点项目负责人，科技部863重大项目课题负责人，科技委高技术重点研发项目负责人，科技委主题专家组专家。2005年获工学博士学位，2005-2007在中科院物理所做博士后，2007-2009年任日本学术振兴会特别研究员（JSPS学者），2009年加入北京大学，任副教授、教授。中国光学学会光电技术专业委员会常务委员、中国仪器仪表学会光机电集成理事会理事、中国光学工程学会委员会委员、美国光子学会高峰会议、国际四族光子学会、激光和光电会议、国际固体材料与器件、亚洲光子学、国际光学仪器与技术等国际学术会议技术委员会委员。中国科学信息科学、半导体学报、中国光学、激光杂志等期刊编委。近五年作为负责人主持国家自然科学基金重点项目、863重大项目、科技委重点研发计划、装发预研、北京市重点研发计划等十余项课题，累计经费3000余万元。
       肖云峰教授是北京大学博雅特聘教授。主要从事超高品质因子光学微腔的实验和理论研究。近年来，以主要作者在Science、Nature Photonics、Nature Communications、PNAS和Physical Review Letters等国际重要杂志发表研究论文170余篇，他引5000余次，h因子43。研究成果两次入选“中国高校十大科技进展”（2014、2017），1次入选由美国光学学会评选的“年度国际光学重大进展”（2018），4次入选“中国光学十大进展”（2010、2016、2017、2019）。还获得第八届饶毓泰基础光学奖（2013）、王大珩光学奖（2017）、教育部青年科学奖（2018）、饶毓泰物理奖（2018-2019）、陈嘉庚青年科学奖（2020）和中国青年科技奖（2020）；被选为美国光学学会会士（2019）。
       龚旗煌，光学与光子学专家。北京大学长江特聘教授、博雅讲席教授；中国科学院院士、发展中国家科学院院士。1964年8月出生于福建省莆田市。1983年和1989年分别获得北京大学学士学位和博士学位（中英联合培养）。现任北京大学人工微结构和介观物理国家重点实验室学术委员会主任、北京大学党委常委、常务副校长，兼任教务长、研究生院院长。负责本科教育、研究生教育、招生等工作，协助校长统筹学校“双一流”建设工作，协管人事、师德师风工作。长期从事非线性光学前沿与时空小尺度光学研究。提出通过电荷快速转移获得超快响应和大系数的三阶非线性光学材料的新方法，实现了高性能超快低阈值全光开关；开拓飞秒/纳米时空高分辨光学测量，实现纳微结构超快光调控及电子态的人工调控。曾获国家自然科学奖二等奖、何梁何利科学技术奖、北京市科学技术奖一等奖、教育部科技进步奖一等奖、中国物理学会饶毓泰奖和中国光学学会王大珩科技奖等奖励。先后当选为英国皇家物理学会会士、美国光学学会会士、中国光学学会会士和国际光学工程学会会士。现任国际光学委员会（ICO）副主席、中国科协九届常务委员、中国光学学会理事长、中国物理学会副理事长。