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中科院表面等离激元的量子效率及传播调控研究取得新进展

2016-01-14 16:02
苏子言岁月
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    表面等离激元是一种束缚在金属和介质材料交界面上的表面电磁波,这种电磁波与金属的振荡电荷相互耦合在一起向前传输,其场分布被束缚在亚波长尺寸之下,突破了经典光学中的衍射极限,可作为未来纳米光子器件和光子回路的信息载体。金属纳米线是一种基本的可以传输表面等离激元的准一维结构,可作为表面等离激元信号的传输通路,用于构建纳米等离激元光子器件和光子回路。另一方面,金属纳米线具有显著的局域电磁场增强效应,可以在纳米尺度上增强光与物质的相互作用。中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家实验室(筹)纳米物理与器件实验室副研究员魏红对金属纳米线中表面等离激元的物理性质进行了深入系统的研究,最近她在基于银纳米线的光和物质相互作用以及光传播操控方面取得一些新进展。

  首先,在单个量子点激发表面等离激元的量子效率方面取得一系列进展。金属纳米结构的表面等离激元具有对电磁场的亚波长束缚能力,可以用于增强光与原子、分子、量子点等纳米光源的相互作用。表面等离激元的量子效率是表征该相互作用的一个重要参数,它表示被激发的纳米光源将吸收的能量转化为金属纳米结构上的表面等离激元的效率,对相应结构体系的光学特性和器件性能具有关键影响。当量子点为代表的纳米光源处于金属纳米结构附近时,荧光的激发和发射两个过程都将受到影响。量子点的激发速率正比于所在位置处的局域光子态密度,由于近场增强效应,激发速率一般会得到增强。金属纳米结构的存在使得量子点内被激发的激子可以通过以下三种通道进行复合:以辐射复合的方式直接转化为光子并辐射到远场,激发金属纳米结构所支持的表面等离激元模式,以非辐射复合方式损耗掉。表面等离激元的量子效率依赖于三个复合通道的衰减速率。

  对于量子点和银纳米线的耦合体系,他们首先利用超分辨光学成像技术在实验上研究了两个量子点和银纳米线相互作用的体系,并实现了对两个量子点产生的表面等离激元的分辨【Nano Letters 14, 3358 (2014)】。最近他们利用银纳米线上表面等离激元的传播性质,实现了对表面等离激元量子效率的实验测量。进一步,通过在银纳米线表面沉积不同厚度的Al2O3薄膜控制量子点和银纳米线之间的距离,研究了量子点激子复合的三个通道的衰减速率和表面等离激元量子效率对量子点与纳米线之间距离的依赖关系。实验结果表明,三个复合通道的激子衰减速率都随着量子点和纳米线之间距离的减小而增大,但是它们的增大速率不同,导致最大的表面等离激元量子效率出现在距离约为10 nm的时候。单个光子和单个表面等离激元的相互转化使得利用量子光学技术来调控单个等离激元并设计基于此的新型量子器件成为可能,这一研究工作对于理解并控制纳米量子光源和表面等离激元的相互作用尤为重要,对于设计用于纳米光学和量子信息等领域的片上量子等离激元光学器件具有重要意义。该研究结果发表在Nano Letters 15, 8181 (2015)。

  其次,在表面等离激元传播的调控研究中也有新成果。银纳米线上的表面等离激元呈现出奇特的电场分布,基于对表面等离激元电场分布特性的认识和操控,可以实现表面等离激元信号路由器、逻辑门等纳光子器件。这些现象和应用的基础在于银纳米线可以同时传导多个等离激元模式。他们研究发现,在具有结构对称性破缺的银纳米线结构中,表面等离激元模式可以发生转换,并利用模式转换现象设计了一种主动型等离激元光开关【Scientific Reports 4, 4993 (2014)】。对于基底上的银纳米线,其上传播的表面等离激元可以直接辐射到基底之中,这就类似于行波天线,具有高度的发射方向性和天线增益。通过对纳米线介质环境的控制,实现了对银纳米线行波天线辐射方向的灵敏调控【Laser & Photonics Reviews 8, 596 (2014)】。纳米线表面等离激元模式对介质有效折射率的灵敏响应还可以用于调控纳米线波导网络中表面等离激元信号的传播和路径选择。他们研究发现,在纳米线表面沉积10 nm厚的Al2O3薄膜就可以使表面等离激元信号改变在纳米线网络结构中的传播路径,并使两个分支波导的输出信号强度对激发光的偏振依赖性发生反转。该研究结果发表在Nanoscale 7, 19053 (2015)。

  金属纳米线和金属薄膜是支持表面等离激元传播的两种典型结构,如何实现和控制等离激元在两种结构之间的传输对基于两种结构的纳米光电器件的集成具有重要意义。他们研究了银纳米线与银薄膜构成的复合结构中表面等离激元的传播特性,发现通过在金属纳米线与金属薄膜之间增加一个介质层,纳米线上的等离激元可以转化为薄膜上的等离激元。更重要的是薄膜上的等离激元表现为周期性的平行的等离激元束,完全不同于通常金属薄膜上传播的等离激元由于衍射效应而发散的传播状况。对纳米线与薄膜等离激元模式的分析表明纳米线等离激元激发了薄膜上的两个等离激元波,两者的干涉导致了薄膜上非衍射的等离激元场分布。通过控制介质层的厚度可以调控薄膜上等离激元的传播方向。该研究结果发表在Nano Letters 15, 560 (2015)。

  参加上述研究工作的研究生主要包括李强、潘登、田小锐、贾志立等。上述工作得到了中国科学院、国家自然科学基金委和科技部的资助。

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