物理所在表面等離激元的量子效率及傳播調(diào)控研究中取得進(jìn)展

　　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(chǎng)分布被束縛在亞波長(zhǎng)尺寸之下，突破了經(jīng)典光學(xué)中的衍射極限，可作為未來(lái)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(hào)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(chǎng)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(guó)科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國(guó)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(duì)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(duì)電磁場(chǎng)的亞波長(zhǎng)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(duì)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(guò)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(chǎng)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(guò)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(chǎng)，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(duì)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(duì)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(duì)表面等離激元量子效率的實(shí)驗(yàn)測(cè)量。進(jìn)一步，通過(guò)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(duì)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(lái)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(duì)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(duì)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(chǎng)分布，基于對(duì)表面等離激元電場(chǎng)分布特性的認(rèn)識(shí)和操控，可以實(shí)現(xiàn)表面等離激元信號(hào)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(duì)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(duì)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(guò)對(duì)納米線介質(zhì)環(huán)境的控制，實(shí)現(xiàn)了對(duì)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(duì)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(hào)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(hào)改變?cè)诩{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(hào)強(qiáng)度對(duì)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(duì)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(guò)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(duì)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(chǎng)分布。通過(guò)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(guó)科學(xué)院、國(guó)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。