表面等離激元是一種束縛在金屬和介質(zhì)材料交界面上的表面電磁波，這種電磁波與金屬的振蕩電荷相互耦合在一起向前傳輸，其場分布被束縛在亞波長尺寸之下，突破了經(jīng)典光學(xué)中的衍射極限，可作為未來納米光子器件和光子回路的信息載體。金屬納米線是一種基本的可以傳輸表面等離激元的準(zhǔn)一維結(jié)構(gòu)，可作為表面等離激元信號的傳輸通路，用于構(gòu)建納米等離激元光子器件和光子回路。另一方面，金屬納米線具有顯著的局域電磁場增強(qiáng)效應(yīng)，可以在納米尺度上增強(qiáng)光與物質(zhì)的相互作用。中國科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家實(shí)驗(yàn)室（籌）納米物理與器件實(shí)驗(yàn)室副研究員魏紅對金屬納米線中表面等離激元的物理性質(zhì)進(jìn)行了深入系統(tǒng)的研究，最近她在基于銀納米線的光和物質(zhì)相互作用以及光傳播操控方面取得一些新進(jìn)展。

　　首先，在單個(gè)量子點(diǎn)激發(fā)表面等離激元的量子效率方面取得一系列進(jìn)展。金屬納米結(jié)構(gòu)的表面等離激元具有對電磁場的亞波長束縛能力，可以用于增強(qiáng)光與原子、分子、量子點(diǎn)等納米光源的相互作用。表面等離激元的量子效率是表征該相互作用的一個(gè)重要參數(shù)，它表示被激發(fā)的納米光源將吸收的能量轉(zhuǎn)化為金屬納米結(jié)構(gòu)上的表面等離激元的效率，對相應(yīng)結(jié)構(gòu)體系的光學(xué)特性和器件性能具有關(guān)鍵影響。當(dāng)量子點(diǎn)為代表的納米光源處于金屬納米結(jié)構(gòu)附近時(shí)，熒光的激發(fā)和發(fā)射兩個(gè)過程都將受到影響。量子點(diǎn)的激發(fā)速率正比于所在位置處的局域光子態(tài)密度，由于近場增強(qiáng)效應(yīng)，激發(fā)速率一般會(huì)得到增強(qiáng)。金屬納米結(jié)構(gòu)的存在使得量子點(diǎn)內(nèi)被激發(fā)的激子可以通過以下三種通道進(jìn)行復(fù)合：以輻射復(fù)合的方式直接轉(zhuǎn)化為光子并輻射到遠(yuǎn)場，激發(fā)金屬納米結(jié)構(gòu)所支持的表面等離激元模式，以非輻射復(fù)合方式損耗掉。表面等離激元的量子效率依賴于三個(gè)復(fù)合通道的衰減速率。

　　對于量子點(diǎn)和銀納米線的耦合體系，他們首先利用超分辨光學(xué)成像技術(shù)在實(shí)驗(yàn)上研究了兩個(gè)量子點(diǎn)和銀納米線相互作用的體系，并實(shí)現(xiàn)了對兩個(gè)量子點(diǎn)產(chǎn)生的表面等離激元的分辨【Nano Letters 14, 3358 (2014)】。最近他們利用銀納米線上表面等離激元的傳播性質(zhì)，實(shí)現(xiàn)了對表面等離激元量子效率的實(shí)驗(yàn)測量。進(jìn)一步，通過在銀納米線表面沉積不同厚度的Al₂O₃薄膜控制量子點(diǎn)和銀納米線之間的距離，研究了量子點(diǎn)激子復(fù)合的三個(gè)通道的衰減速率和表面等離激元量子效率對量子點(diǎn)與納米線之間距離的依賴關(guān)系。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，三個(gè)復(fù)合通道的激子衰減速率都隨著量子點(diǎn)和納米線之間距離的減小而增大，但是它們的增大速率不同，導(dǎo)致最大的表面等離激元量子效率出現(xiàn)在距離約為10 nm的時(shí)候。單個(gè)光子和單個(gè)表面等離激元的相互轉(zhuǎn)化使得利用量子光學(xué)技術(shù)來調(diào)控單個(gè)等離激元并設(shè)計(jì)基于此的新型量子器件成為可能，這一研究工作對于理解并控制納米量子光源和表面等離激元的相互作用尤為重要，對于設(shè)計(jì)用于納米光學(xué)和量子信息等領(lǐng)域的片上量子等離激元光學(xué)器件具有重要意義。該研究結(jié)果發(fā)表在Nano Letters 15, 8181 (2015)。

　　其次，在表面等離激元傳播的調(diào)控研究中也有新成果。銀納米線上的表面等離激元呈現(xiàn)出奇特的電場分布，基于對表面等離激元電場分布特性的認(rèn)識和操控，可以實(shí)現(xiàn)表面等離激元信號路由器、邏輯門等納光子器件。這些現(xiàn)象和應(yīng)用的基礎(chǔ)在于銀納米線可以同時(shí)傳導(dǎo)多個(gè)等離激元模式。他們研究發(fā)現(xiàn)，在具有結(jié)構(gòu)對稱性破缺的銀納米線結(jié)構(gòu)中，表面等離激元模式可以發(fā)生轉(zhuǎn)換，并利用模式轉(zhuǎn)換現(xiàn)象設(shè)計(jì)了一種主動(dòng)型等離激元光開關(guān)【Scientific Reports 4, 4993 (2014)】。對于基底上的銀納米線，其上傳播的表面等離激元可以直接輻射到基底之中，這就類似于行波天線，具有高度的發(fā)射方向性和天線增益。通過對納米線介質(zhì)環(huán)境的控制，實(shí)現(xiàn)了對銀納米線行波天線輻射方向的靈敏調(diào)控【Laser & Photonics Reviews 8, 596 (2014)】。納米線表面等離激元模式對介質(zhì)有效折射率的靈敏響應(yīng)還可以用于調(diào)控納米線波導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)中表面等離激元信號的傳播和路徑選擇。他們研究發(fā)現(xiàn)，在納米線表面沉積10 nm厚的Al₂O₃薄膜就可以使表面等離激元信號改變在納米線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中的傳播路徑，并使兩個(gè)分支波導(dǎo)的輸出信號強(qiáng)度對激發(fā)光的偏振依賴性發(fā)生反轉(zhuǎn)。該研究結(jié)果發(fā)表在Nanoscale 7, 19053 (2015)。

　　金屬納米線和金屬薄膜是支持表面等離激元傳播的兩種典型結(jié)構(gòu)，如何實(shí)現(xiàn)和控制等離激元在兩種結(jié)構(gòu)之間的傳輸對基于兩種結(jié)構(gòu)的納米光電器件的集成具有重要意義。他們研究了銀納米線與銀薄膜構(gòu)成的復(fù)合結(jié)構(gòu)中表面等離激元的傳播特性，發(fā)現(xiàn)通過在金屬納米線與金屬薄膜之間增加一個(gè)介質(zhì)層，納米線上的等離激元可以轉(zhuǎn)化為薄膜上的等離激元。更重要的是薄膜上的等離激元表現(xiàn)為周期性的平行的等離激元束，完全不同于通常金屬薄膜上傳播的等離激元由于衍射效應(yīng)而發(fā)散的傳播狀況。對納米線與薄膜等離激元模式的分析表明納米線等離激元激發(fā)了薄膜上的兩個(gè)等離激元波，兩者的干涉導(dǎo)致了薄膜上非衍射的等離激元場分布。通過控制介質(zhì)層的厚度可以調(diào)控薄膜上等離激元的傳播方向。該研究結(jié)果發(fā)表在Nano Letters 15, 560 (2015)。

　　參加上述研究工作的研究生主要包括李強(qiáng)、潘登、田小銳、賈志立等。上述工作得到了中國科學(xué)院、國家自然科學(xué)基金委和科技部的資助。

    (a) 量子點(diǎn)和銀納米線相互作用的示意圖；(b) 單個(gè)量子點(diǎn)和銀納米線耦合體系的熒光圖像；(c) 不同Al₂O₃厚度下量子點(diǎn)激子三個(gè)復(fù)合通道的衰減速率；(d) 不同Al₂O₃厚度下的表面等離激元量子效率。