物理所金屬納米線集成納米光學芯片的原理研究獲新進展

　　金屬納米結構中的表面等離激元具有許多奇特的光學性質，如光場局域效應、透射增強、共振頻率對周圍環境敏感等，因而被廣泛應用于納米集成光學器件、癌癥熱療、光學傳感、增強光催化、太陽能電池以及表面增強拉曼光譜等。其中，利用表面等離激元設計與制作亞波長光學器件是一個嶄新而迅速發展的研究方向。在一維金屬納米結構中，表面等離激元可以將光場限制在遠小于光波長的橫截面內，這一特性為光學芯片的高密度集成奠定了理論基礎。

　　近年來，中科院物理研究所/北京凝聚態物理國家實驗室（籌）徐紅星研究組圍繞基于金屬納米線的集成納米光學芯片的原理開展了一系列原創性的研究工作，包括表面等離激元在納米線中的角發射規律[Nano Lett. 9(12), 4383 (2009)]，納米線等離激元與單分子和單量子點的相互作用 [Nano Lett. 9(5), 2049 (2009), Nano Lett. 9(12), 4168 (2009)]、基于納米線網絡構筑的全光路由器和信號分離器[Nano Lett. 10(5), 1950 (2010)]及邏輯回路 [Nano Lett. 11, 471(2011)]，以及證明了納米光學邏輯單元的片上可集成性[Nat. Commun. 2, 387 doi: 10.1038/ncomms1388 (2011)]等。

　　最近，徐紅星研究組的博士生張順平和魏紅博士等通過理論和實驗相結合的研究發現：在均勻的介質環境中，不同模式的金屬納米線表面等離激元的相干疊加可以產生手性（左旋或右旋）的表面等離激元，使光場能量繞著納米線螺旋地向前傳播。與圓偏振光的產生原理類似，手性表面等離激元也是由兩個具有固定π/2相位差且相互正交的分量（一階模）疊加而成。通過改變入射光的偏振與納米線的夾角，可以控制表面等離激元的手性（左旋或右旋）。而螺旋的周期也可以通過納米線的大小、周圍介質的折射率、激發光波長等參數來控制。這些性質對于亞波長光學器件與回路的設計與制作具有重要意義。利用量子點近場成像技術，可以精確的觀察到等離激元的不同的手性傳播特性。手性電磁波的一個重要應用是與手性物質相互作用。從納米線末端發射出來的光子將保持表面等離激元的手性，因此，金屬納米線手性表面等離激元可用于設計寬帶可調的納米圓偏振光光源，即納米尺度的1/4波片，可用于在納米尺度上探測光與手性物質（如單個手性分子、單個DNA和蛋白分子的手性部分等）之間的相互作用。

　　相關工作發表在近期的Phys. Rev. Lett., 107, 096801 (2011)上。

　　上述工作得到了科技部、國家自然科學基金委和中科院知識創新工程的支持。

圖1 (a) 局域光激發金屬納米線示意圖；(b-e) 左：垂直或平行偏振激發下納米線中的不同的模式以及它們的相位。右：被激發模式的電場分布。

圖2 金屬納米線上的手性表面等離激元。(a) 表面電荷分布；(b) 不同橫截面上光能流分布；(c) 螺旋的周期隨納米線半徑的變化規律。

圖3 不同偏振激光激發下量子點熒光成像。