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，同時還支持傳輸?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。
金屬納米線與單個納米量子光源的耦合可以實(shí)現(xiàn)單個量子化的表面等離激元的產(chǎn)生和傳輸，對該體系的研究對深入認(rèn)識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，光學(xué)顯微鏡的分辨率限制了對金屬納米線上的多個納米光源進(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。
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)室副研究員魏紅及其合作者設(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，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量子點(diǎn)的選擇性激發(fā)，實(shí)驗(yàn)中通過對相距100nm的兩個量子點(diǎn)的選擇性激發(fā)演示了該技術(shù)的可行性。研究人員將結(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)了對多個量子點(diǎn)的超分辨光學(xué)成像，分辨率約為96nm。該工作為研究和表征等離激元納米波導(dǎo)與多個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，對深入認(rèn)識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)研究成果發(fā)表在Nano Letters上。該研究得到了中科院、國家自然科學(xué)基金委和科技部的資助。
論文鏈接
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)對多個量子點(diǎn)的超分辨光學(xué)成像
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研究方向
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