从上世纪中叶发展起来的信息技术革命性地改变了人们的社会生活方式和经济增长模式。然而，随着现代加工工艺的不断进步和电子器件集成化程度的提高，电子芯片的物理瓶颈如量子尺寸效应和热效应等对目前信息技术的发展将有着不可避免的制约。而光子作为信息的载体有着电子无法比拟的优势，如高带宽、高密度、高速度和低耗散等，光信号传输速度比电子快1000倍，而且光信号可以携带强度、偏振、相位和频率等信息，可以突破二进制的限制。可是由于光的衍射极限的存在，光学元器件和芯片却很难做到小型化而实现大规模的集成。等离激元，即在光激发下的金属纳米结构中自由电子气集体振荡，是目前可以突破光的衍射极限来实现在纳米尺度上对光的操纵的新型量子态，实现对等离激元的操控为光学元器件和芯片小型化，以及在未来信息领域超越摩尔定律带来了曙光。纳米光学处理器的研制，需要解决纳米光源、纳米光波导、纳米分光路由装置、等离激元逻辑与运算元件、纳米光电和电光转换装置等一系列纳米光学元件的设计和制造问题。目前，对等离激元光子学（Plasmonics）的研究成为国际上竞争非常激烈的研究领域。

 

中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家实验室（筹）徐红星研究员领导的研究小组一直致力于这一新兴领域的研究。他们在纳米光传导和单分子远程探测（Nano Lett. 9, 2049 ,（2009）），纳米光电集成基础的光-激子转换问题的研究（Nano Lett. 9, 4168,（2009）），光子回路设计基础的纳米波导定向发射（Nano Lett. 9, 4383，（2009））和纳米天线的发光偏振调控（PNAS 105, 16448（2008）；ACS Nano 3, 637，（2009））等问题的研究上取得了系统的成果。

 

最近，该组成员李志鹏博士等人研究发现，当用光照射银纳米线一端激发在纳米线中传播的等离激元并在另一端发射时，有些纳米等离激元光波导具有保偏特性，这种特性非常依赖于纳米线的端面形貌。研究发现，这种特性和纳米线中m=0和m=1模式的激发效率和衰减速率有关。由于纳米线中不同模式的混合导致了纳米线的宽度和端头形貌会影响这两个模式的激发与传播。他们与美国Rice大学的Peter Nordlander教授的研究组合作从理论上解释了这一现象。这一发现在新型纳米光学元件及其集成化中具有非常重要的意义，另外，具有保偏性质的纳米波导也很可能作为量子信息的数据总线。其结果发表在最近的（Nano Letters 10，1831（2010））上。

 

另外，该组博士生方蔚瑞等人最近研究发现，在纳米等离激元波导的分叉结构中，通过改变入射光的不同偏振方向可以控制等离激元传向不同的波导分支，从而实现纳米尺度的光子路由（Router）；而且在相同的波导的分叉结构中能够控制不同波长的光分开传向不同的波导分支，从而实现纳米尺度的光子多路转接（Multiplexer）。这一发现将在构造基于等离激元的纳米光子处理器及新型的光子学通信器件中有着重要应用。其结果发表在同一期的（Nano Letters 10,1950（2010））上。

 

这些研究工作得到了国家自然科学基金委、科技部、中国科学院知识创新工程等的资助。（来源：中国科学院物理研究所）

 

 

 

 

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