研究背景
在制造业飞速发展的今天，我们对材料检测、环境监测和食品安全等领域的技术要求越来越高。太赫兹波——一种频率介于红外光与微波之间的电磁波——正因为其独特特点，逐渐成为这些应用中的“潜力股”。比如：太赫兹频段覆盖了许多生物分子的振动和转动能级，可无需标记即可直接识别物质的特征光谱，展现出卓越的无损检测潜力。
然而，太赫兹光谱技术也面临一个根本性挑战：其百微米量级的波长与纳米尺度的检测对象（如：分子，尺度通常＜10 nm）之间存在超过万倍的尺度失配。如同以米尺丈量微尘，这种巨大的尺度差异导致太赫兹波与目标分子相互作用极弱，使得纳米分子太赫兹传感长期难以实现。突破该瓶颈的关键在于能否将太赫兹波能量极端压缩至纳米尺度。
等离极化激元—光子与材料中的电子耦合形成的准粒子—为解决该难题提供了新路径。其可将电磁场能量压缩至深亚波长尺度，极大增强光与物质相互作用。尽管金属结构在太赫兹频段呈现近似理想导体特性，导致其难以有效束缚电磁场；然而以石墨烯为代表的低维材料，通过灵活调控载流子浓度，成功将等离激元效应拓展至太赫兹波段，提供了优异的电磁场深亚波长束缚与增强能力。这一突破性进展，为开发新一代太赫兹纳米光谱传感器奠定了坚实的物理基础。
导读
近日，上海理工大学庄松林院士领衔的太赫兹技术创新研究院陈舒教授与朱亦鸣教授研究团队，针对太赫兹深纳米检测难题，创新性提出了基于转角双层石墨烯结构的新型等离激元超表面设计方案。该超表面利用等离激元层间电磁耦合效应，构建出具有极高局域能力的声学等离激元纳腔，其模式体积低至10⁻¹³λ₀³，首次理论上实现了1纳米厚度（约单个分子层）生物样品的太赫兹指纹光谱检测。该研究为太赫兹纳米检测提供了创新思路，助力太赫兹传感技术向单分子检测迈进。相关研究成果以“Twist-engineered acoustic plasmon nanocavities enable deep-nanoscale terahertz molecular fingerprinting”为题发表在《PhotoniX》。
X特点
本研究融合了太赫兹光子学、极化激元纳米光学、低维材料科学及光谱技术等多个前沿领域，体现了多学科深度交叉的研究特色。核心创新在于利用石墨烯独特的等离极化激元效应，通过“转角”调控实现对等离激元模式的精细操纵，进而在太赫兹波段获得了显著的光场束缚与增强能力。这一进展不仅展现了多层级学科融合的潜力，也为在极端尺度下探索太赫兹波与物质相互作用提供了新思路，有助于推动太赫兹光谱技术逐步迈向深纳米乃至单分子检测的新阶段。
主要研究内容
本研究从机理探索、性能优化与应用三个层面，系统研究了一维/二维转角双层石墨烯等离激元超表面在太赫兹波段的远近场光学响应及其调控机制。重点揭示了声学等离激元纳米腔（acoustic plasmon cavity, APC）的构建原理：通过精确调控石墨烯层间转角，激发基于等离激元杂化和法布里-珀罗共振的耦合模式，实现了太赫兹波在纳米尺度（模式体积低至 10⁻¹³λ₀³）下的三维光场束缚与增强，显著提升光与物质的相互作用。APC模式在电场束缚能力和增强性能方面均优于单一石墨烯等离激元结构及非转角双层石墨烯体系。研究进一步分析了转角角度、单元间距和费米能级等参数对APC模式共振特性与近场增强的调控规律，提出了基于电栅压调控和结构优化的策略，可进一步压缩模式体积并提高探测灵敏度。在传感应用方面，APC模式表现出优异性能。在折射率传感中，该结构的灵敏度（S）达 2.46 THz/RIU，品质因子为 4.1，较单层及未转角双层结构最高提升达48倍和22倍；在分子指纹检测方面，成功实现了对1 nm厚γ-氨基丁酸（GABA）分子膜的太赫兹指纹谱识别，展现出其在痕量生物分子检测中的显著应用潜力。
技术突破与创新点
此研究工作包含以下四个创新点。首先，提出了“转角声学等离激元纳米腔”新构型。通过转角堆叠的双层石墨烯微纳结构，构建了具有三维纳米限域特征的声学等离激元模式，实现了太赫兹波在深纳米尺度（~10⁻¹³λ₀³）下的束缚与增强。其次，突破了THz波与纳米尺度分子相互作用的尺度适配问题。该模式有效弥合了太赫兹波长（百微米量级）与分子尺寸（纳米量级）之间的尺度鸿沟，实现了太赫兹场在纳米腔体内的有效能量集中，为纳米级物质的太赫兹探测提供了新思路。第三，在理论上展现出高灵敏分子指纹识别的潜力。APC模式在传感应用中表现出优异性能，其灵敏度与品质因子远超传统单层及非转角双层石墨烯结构（最高提升达48倍），并在理论上实现了对1 nm厚度γ-氨基丁酸生物分子的太赫兹振动指纹识别。最后，建立了一种可动态调控的强场局域平台，拓展了太赫兹纳米光子学的研究路径。该结构可通过转角角度、栅极电压和几何参数灵活调控共振行为与场分布，不仅体现了二维材料层间耦合在光场操控方面的灵活性，也为推动太赫兹技术向纳米尺度、痕量探测乃至单分子传感方向发展提供了可能，有助于发展新一代可调太赫兹光电子器件与强耦合实验体系。
图1. 基于转角双层石墨烯超表面的太赫兹传感器概念示意图。（a）所提出的太赫兹传感器的三维示意图，采用一维转角双层石墨烯超表面结构实现纳米级分子检测。（b）图（a）中间隔层的放大视图，显示吸附的分子（以球棍模型表示）。（c）本研究中涉及的二维和一维转角双层石墨烯超表面结构示意图。（d）（e）分别展示了未转角（d）和转角（e）情况下声学等离激元模式的工作原理示意图。
结论与展望
本研究系统探索了转角双层石墨烯等离激元超表面在太赫兹波段的等离激元特性及其调控机制。研究发现，通过调控层间转角可有效激发声学等离激元腔模式，实现三维纳米尺度下的光场局域与电场增强，初步理论结果表明该结构具备探测低至1 nm厚度分子振动指纹的潜力。研究表明，借助低维材料精准调控与纳米结构设计，有望突破太赫兹分子传感中面临的物理限制，为太赫兹纳米光子学提供一个极具应用前景的传感平台，对太赫兹光场纳米尺度操控与痕量检测技术的发展具有积极意义。在未来的研究中，可进一步推进该超构表面体系的实验验证与实际应用探索，包括发展更易制备的新型低维材料、优化纳米结构加工工艺，并系统提升远场与近场光谱探测能力。这一方向有望为单分子太赫兹光谱技术开辟新路径，为高灵敏片上太赫兹生化传感系统的构建提供持续的技术支撑与积累。
主要作者介绍
第一作者—张鸿博同学：张鸿博，男，上海理工大学光学工程专业硕士研究生。主要从事极化激元光子学和太赫兹光谱技术等方面的研究。
通讯作者—陈舒教授：上海理工大学教授、博士生导师，国家自然科学基金委优秀青年科学基金获得者，上海市曙光计划、上海海外高层次人才计划入选者。2016年于厦门大学获博士学位，2017至2022年在西班牙CIC nanoGUNE研究中心从事科研工作。长期致力于近场光学、激元光子学、太赫兹光子学及近场光学显微成像技术等方向的机理研究、技术开发与应用探索。主持国家及省部级科研项目10余项，以第一作者或通讯作者身份在Nature、Nature Materials、Nature Communications、Nano Letters、ACS Nano、ACS Photonics等期刊发表代表性成果。目前担任了PhotoniX，Nano-Micro Letters，红外与激光工程等期刊青年编委。
通讯作者—朱亦鸣教授：上海理工大学教授，博士生导师，国家万人领军人才（中青年科技创新领军人才），国家百千万人才，青年长江学者，国家基金委优秀青年基金、国务院特殊津贴、上海市青年科技杰出贡献奖获得者。现任国际红外与太赫兹学会（IRMMW-THz）国际组织委员会委员兼评奖委员会委员、中国仪器仪表学会理事、中国光学工程学会理事、中国电子学会青年科学家俱乐部理事、中国青年科技工作者协会委员等。承担国家及地方课题项目二十余项（973计划1项、863计划1项、国家自然科学基金3项、国家重大科学仪器设备开发专项2项等）。以第一作者或通讯作者发表SCI论文100余篇(光电领域前5%共40余篇)，ESI论文8篇。授权发明专利40余项，13项经转化获得3166万元。获得上海市技术发明一等奖，上海市青年贡献奖，中国发明协会发明创新奖一等奖（金奖）等全部奖项10余项。
本文出处
发表于：PhotoniX
论文链接：https://link.springer.com/article/10.1186/s43074-025-00194-3
撰稿人 | 张鸿博，陈舒
论文题目 | Twist-engineered acoustic plasmon nanocavities enable deep-nanoscale terahertz molecular fingerprinting
作者 | 张鸿博, 李鹏伟, 杨晓宇, 万闻，陈舒*，方广有，朱亦鸣*，庄松林
完成单位 | 上海理工大学太赫兹技术创新研究院，太赫兹波谱与影像协同创新中心，上海市现代光学系统重点实验室，光电信息与计算机工程学院，上海大学材料基因组工程研究院，中国科学院空天信息创新研究院，同济大学上海智能科学与技术研究院
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