等離體子物理學(xué)現(xiàn)狀與發(fā)展前景

喬若靜/編譯

等離體子物理學(xué)現(xiàn)狀與發(fā)展前景

喬若靜/編譯

根據(jù)最近的一項(xiàng)分析，等離體子學(xué)領(lǐng)域的技術(shù)成熟度發(fā)展已穩(wěn)步爬升至光明期，在此階段對(duì)這一領(lǐng)域潛力的理性評(píng)估，有望產(chǎn)生廣泛的、對(duì)社會(huì)有用的多種實(shí)用性技術(shù)。大批研究人員集眾人之力，探索這一有可能產(chǎn)生許多驚人發(fā)現(xiàn)的新的研究領(lǐng)域，如等離體子非凡的光傳輸能力、負(fù)折射率新材料、等離激子激光器等。

在等離子體學(xué)領(lǐng)域內(nèi)，有些人可能會(huì)比別人更早意識(shí)到，閃閃發(fā)光的未必都是金子，但在這個(gè)令人振奮的穩(wěn)步爬升階段，大量人力物力資源的投入，顯然已為形成一個(gè)新的科學(xué)社區(qū)建立了堅(jiān)實(shí)的概念基礎(chǔ)。不可避免的是，許多這些新的探索最終不是成效有限，就是走入了死胡同。導(dǎo)致失敗的一些原因主要都與光損失以及無法使用貴金屬進(jìn)行光信號(hào)調(diào)制相關(guān)。但在開發(fā)應(yīng)對(duì)這些問題的新方法新策略中，所獲得的新知識(shí)卻也是極其寶貴的?！蹲匀弧冯s志納米技術(shù)?？瘜?duì)這些新方法新策略進(jìn)行了回顧，特別是對(duì)于如何實(shí)現(xiàn)在納米尺度上的光-物質(zhì)相互作用的控制，研究人員對(duì)一些獨(dú)創(chuàng)性的方案進(jìn)行了探索。

可能最獨(dú)樹一幟的辦法是不用金屬材料，而代之以電介質(zhì)材料。在《自然》的一篇評(píng)論文章中，薩曼·約哈尼（Saman Jahani）和朱賓·雅各布（Zubin Jacob）概述了電介質(zhì)諧振器的物理性質(zhì)：在納米尺度上通過定向米氏共振集中于某個(gè)電磁場(chǎng)的具有高折射率的納米結(jié)構(gòu)，來代替等離激元。最近的調(diào)查表明，通過使用電介質(zhì)諧振器，可以實(shí)現(xiàn)覆蓋介電系數(shù)和滲透率所有四個(gè)象限全方位的光學(xué)響應(yīng)。電介質(zhì)納米諧振器（金屬表面）還可以精確調(diào)諧光的振幅、相位和偏振性能，為制造大量亞波長(zhǎng)光學(xué)組件帶來更多的可能性，并具有與CMOS兼容的額外優(yōu)勢(shì)。另外，文章還介紹了在不使用金屬的情況下，在納米尺度上進(jìn)行光導(dǎo)的多種辦法，包括無損表面波，以及限制在內(nèi)反射系統(tǒng)內(nèi)的亞波長(zhǎng)。

一種與眾不同的方法是將等離激元與聲子（聲音或振動(dòng)能的量子）結(jié)合起來。在一篇文章中，約書亞·考德威爾（Joshua Caldwell）和他的同事對(duì)可維持等離激元-聲子極化聲子的電磁混合材料進(jìn)行了研究。這種耦合模式可以減少光傳播損失，即使在中遠(yuǎn)紅外波段仍然能夠保持在納米限度內(nèi)；在范德瓦耳斯或共價(jià)異質(zhì)結(jié)構(gòu)中，還可以通過維持等離激元和/或聲子的二維材料的層層疊加達(dá)到同樣目的。雖然這些模式最早的實(shí)驗(yàn)是通過石墨烯/六角氮化硼異質(zhì)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的，文章討論了從中紅外到太赫茲波段范圍內(nèi)有效的各種材料組合，并構(gòu)想了與水晶結(jié)合的合理設(shè)計(jì)，一種可適用于更廣泛波長(zhǎng)范圍的新穎復(fù)合材料。

將目前等離體子領(lǐng)域內(nèi)的研究知識(shí)轉(zhuǎn)化為實(shí)際應(yīng)用的另一種想法是將各種作用力應(yīng)用于納米尺度上，在另一篇文章中，尼科萊·澤盧戴夫（Nikolay Zheludev）和埃里克·普盧姆（Eric Plum）討論了電磁的各種相互作用，如庫(kù)侖力、洛倫茲力和安培力，都可以用于激發(fā)金屬表面，調(diào)制光信號(hào)。大型非線性光學(xué)、光電和磁光效應(yīng)已被證明可動(dòng)態(tài)控制亞波長(zhǎng)分辨率的光信號(hào)。這項(xiàng)可與CMOS兼容的技術(shù)，已可在兆赫范圍提供頻率調(diào)制，并有可能應(yīng)用于光學(xué)通信中。為示范普遍起作用的物理學(xué)原理，也可以通過熱、光學(xué)和磁性原理的交互作用達(dá)到快速驅(qū)動(dòng)的目的。

當(dāng)然，以上這些只是隨著等離體子學(xué)和超材料研究日益成熟，近年來脫穎而出具有潛在發(fā)展前途新技術(shù)中的幾種。其中，對(duì)光損失這一基本問題的認(rèn)識(shí)，將促使科研界提出創(chuàng)造性的解決方案，通過非常規(guī)思路，找到獨(dú)辟蹊徑的解決方案，或?qū)ふ铱膳c等離子體優(yōu)點(diǎn)互補(bǔ)的材料、系統(tǒng)和交互方式。在這個(gè)初步發(fā)展和探索階段，對(duì)這一領(lǐng)域發(fā)展前景的具有說服力的評(píng)估也是最終實(shí)現(xiàn)其全部潛力所必不可少的。

[資料來源：Nature][責(zé)任編輯：彥隱]