美国国家标准技术研究院(NIST)的科学家们开发了一种新设备，该设备可以测量超微小粒子的运动，其运动距离几乎不可想象地小-小于氢原子的直径，或者小于氢原子直径的百万分之一人发。手持设备不仅可以以前所未有的精度感知其微小部件的原子级运动，而且研究人员还设计了一种批量生产高度灵敏的测量工具的方法。

　　测量大型物体的微小运动相对容易，但是当运动部件的大小为纳米级或十亿分之一米时，要困难得多。精确测量微观物体的微小位移的能力可用于感测痕量有害生物或化学试剂，完善微型机器人的运动，精确部署安全气囊以及检测穿过薄膜的极弱声波。

　　NIST物理学家Brian Roxworthy和Vladimir Aksyuk 描述了他们的工作在2016年12月6日，自然通讯。

　　研究人员测量了金纳米粒子中的亚原子级运动。他们通过在金纳米颗粒和金片之间设计一个约15纳米的小气隙来做到这一点。这个间隙很小，以至于激光无法穿透。

　　但是，光激发的表面等离激元是电子群的集体波状运动，被限制沿着金表面和空气之间的边界传播。

　　研究人员利用了光的波长，即光波连续波峰之间的距离。正确选择波长或等效的频率后，激光将使特定频率的等离激元沿着间隙来回振荡或共振，就像弹拨的吉他弦的回响一样。同时，随着纳米粒子的移动，它改变了间隙的宽度，并且像调弦一样，改变了等离激元共振的频率。

　　Aksyuk指出，激光和等离子体激元之间的相互作用对于检测纳米级颗粒的微小位移至关重要。光不能轻易检测到小于激光波长的物体的位置或运动，但是将光转换为等离激元可以克服这一限制。因为等离激元被限制在微小的间隙中，所以它们比光对于检测诸如金纳米粒子之类的小物体的运动更敏感。

　　从等离子体激元装置反射回的激光量揭示出间隙的宽度和纳米粒子的运动。例如，假设间隙由于纳米粒子的运动而改变，以致等离子体激元的固有频率或共振更紧密地匹配激光的频率。在那种情况下，等离子体激元能够从激光吸收更多的能量，而反射的光更少。

　　为了在实际设备中使用这种运动感应技术，Aksyuk和Roxworthy将金纳米颗粒嵌入微观尺度的机械结构(一种振动悬臂，一种微型潜水板)中，该结构长几微米，由氮化硅制成。即使当它们不运动时，此类设备也永远不会完全静止不动，而是会在室温下受到其分子随机运动的干扰而高频振动。即使振动的幅度很小(移动亚原子距离)，使用新的等离激元技术也很容易检测到。类似的机械结构虽然通常较大，但通常用于科学测量和实用传感器。例如，检测汽车和智能手机中的运动和方向。

　　研究人员写道：“这种架构为纳米机械感测的发展铺平了道路。” “使用这些等离子体共振器，我们可以比任何其他方式更精确地检测微小运动，” Aksyuk说。

　　该团队的制造方法允许在计算机芯片上生产大约25,000个设备，每个设备都可以根据制造商的需求量身定制以检测运动。

　　新论文的两位作者Roxworthy和Aksyuk在NIST的纳米级科学技术中心(CNST)工作。