光的衍射極限限制了常規(guī)光學(xué)成像的分辨率和介質(zhì)光子器件的尺寸，將對光的操控和利用制約在波長水平，而金屬納米結(jié)構(gòu)的表面等離激元可以將光場束縛在納米結(jié)構(gòu)表面，使突破衍射極限的納米尺度光操控成為可能。金屬納米線不僅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)光與原子、分子、量子點(diǎn)、色心等納米量子光源的相互作用，而且支持傳輸?shù)谋砻娴入x激元模式，可作為等離激元納米波導(dǎo)實(shí)現(xiàn)亞波長束縛的光信號傳輸，是構(gòu)建片上納米光子回路的基本元件。金屬納米線與單個(gè)納米量子光源的耦合可以實(shí)現(xiàn)單個(gè)量子化的表面等離激元的產(chǎn)生和傳輸，對該體系的研究對于深入認(rèn)識(shí)單光子水平上光與物質(zhì)相互作用的基本物理和設(shè)計(jì)納米量子光子器件都具有重要意義。集成在金屬納米線上的多個(gè)納米量子光源可以通過表面等離激元發(fā)生相互作用，產(chǎn)生新的光學(xué)現(xiàn)象，如協(xié)同輻射和量子糾纏。當(dāng)納米光源之間的距離達(dá)到亞波長尺度時(shí)，光學(xué)顯微鏡的分辨率限制了對金屬納米線上的多個(gè)納米光源進(jìn)行超分辨成像和超分辨可控激發(fā)，阻礙了相關(guān)實(shí)驗(yàn)的進(jìn)展。

圖1. 利用銀納米線表面等離激元實(shí)現(xiàn)對量子點(diǎn)的可控激發(fā)

針對上述問題，中國科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家研究中心納米物理與器件實(shí)驗(yàn)室魏紅副研究員和合作者設(shè)計(jì)了一種利用金屬納米線上的表面等離激元干涉場作為激發(fā)源的超分辨激發(fā)和成像方法。由于表面等離激元干涉條紋的周期遠(yuǎn)小于激發(fā)光波長，這種方法具有突破衍射極限的光學(xué)分辨率。銀納米線上的傳輸表面等離激元與局域表面等離激元的干涉形成之字形分布的電場，反向傳輸?shù)膬墒砻娴入x激元干涉形成周期性對稱分布的電場。通過調(diào)控兩束激發(fā)光之間的相位差，上述兩種等離激元干涉場的分布都沿著納米線移動(dòng)，使納米線上的量子點(diǎn)處的電場強(qiáng)度發(fā)生變化，從而可以調(diào)控量子點(diǎn)的激發(fā)。利用該方法可以實(shí)現(xiàn)對相距幾十納米的兩個(gè)量子點(diǎn)的選擇性激發(fā)，實(shí)驗(yàn)中通過對相距100 nm的兩個(gè)量子點(diǎn)的選擇性激發(fā)演示了該技術(shù)的可行性。通過將結(jié)構(gòu)照明顯微成像技術(shù)與金屬納米線上的表面等離激元干涉場相結(jié)合，利用模擬計(jì)算實(shí)現(xiàn)了對多個(gè)量子點(diǎn)的超分辨光學(xué)成像，分辨率約為96 nm。該工作為研究和表征等離激元納米波導(dǎo)與多個(gè)納米量子光源耦合體系的光學(xué)特性提供了一種實(shí)驗(yàn)方法，對于深入認(rèn)識(shí)納米尺度上表面等離激元增強(qiáng)的光與物質(zhì)相互作用的機(jī)理和規(guī)律、設(shè)計(jì)基于表面等離激元的納米/量子光子器件和回路等具有重要意義。相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表在Nano Letters 18, 2009-2015 (2018)。

圖2. 利用銀納米線表面等離激元選擇性激發(fā)兩個(gè)相距100 nm的量子點(diǎn)中的任意一個(gè)

魏紅副研究員對金屬納米線表面等離激元的物理特性及其調(diào)控進(jìn)行了長期的系統(tǒng)的研究，取得了一系列原創(chuàng)性的成果。最近她和合作者受邀在國際著名綜述期刊Chemical Reviews（影響因子47.9）上發(fā)表邀請綜述Plasmon Waveguiding in Nanowires [Chemical Reviews 118, 2882-2926 (2018)]。該論文得到了審稿人一致的高度評價(jià)，被認(rèn)為是一篇非常及時(shí)、全面和權(quán)威的綜述（“a very timely and comprehensive review”, “a comprehensive and authoritative review”），是納米等離激元光子學(xué)領(lǐng)域最好的綜述論文之一（“one of the best reviews in nanoplasmonics field”）。

圖3. 將表面等離激元干涉場用于結(jié)構(gòu)照明顯微成像技術(shù)實(shí)現(xiàn)對多個(gè)量子點(diǎn)的超分辨光學(xué)成像

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。

圖4. 金屬納米線中表面等離激元傳輸?shù)氖疽鈭D、表面等離激元模式色散關(guān)系的示意圖以及三個(gè)研究方向