表面等離激元是一種束縛在金屬和介質材料交界面上的表面電磁波，這種電磁波與金屬的振蕩電荷相互耦合在一起向前傳輸，其場分布被束縛在亞波長尺寸之下，突破了經典光學中的衍射極限，可作為未來納米光子器件和光子回路的信息載體。金屬納米線是一種基本的可以傳輸表面等離激元的準一維結構，可作為表面等離激元信號的傳輸通路，用于構建納米等離激元光子器件和光子回路。另一方面，金屬納米線具有顯著的局域電磁場增強效應，可以在納米尺度上增強光與物質的相互作用。中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家實驗室（籌）納米物理與器件實驗室副研究員魏紅對金屬納米線中表面等離激元的物理性質進行了深入系統的研究，最近她在基于銀納米線的光和物質相互作用以及光傳播操控方面取得一些新進展。
首先，在單個量子點激發表面等離激元的量子效率方面取得一系列進展。金屬納米結構的表面等離激元具有對電磁場的亞波長束縛能力，可以用于增強光與原子、分子、量子點等納米光源的相互作用。表面等離激元的量子效率是表征該相互作用的一個重要參數，它表示被激發的納米光源將吸收的能量轉化為金屬納米結構上的表面等離激元的效率，對相應結構體系的光學特性和器件性能具有關鍵影響。當量子點為代表的納米光源處于金屬納米結構附近時，熒光的激發和發射兩個過程都將受到影響。量子點的激發速率正比于所在位置處的局域光子態密度，由于近場增強效應，激發速率一般會得到增強。金屬納米結構的存在使得量子點內被激發的激子可以通過以下三種通道進行復合：以輻射復合的方式直接轉化為光子并輻射到遠場，激發金屬納米結構所支持的表面等離激元模式，以非輻射復合方式損耗掉。表面等離激元的量子效率依賴于三個復合通道的衰減速率。
對于量子點和銀納米線的耦合體系，他們首先利用超分辨光學成像技術在實驗上研究了兩個量子點和銀納米線相互作用的體系，并實現了對兩個量子點產生的表面等離激元的分辨【Nano Letters 14, 3358 (2014)】。最近他們利用銀納米線上表面等離激元的傳播性質，實現了對表面等離激元量子效率的實驗測量。進一步，通過在銀納米線表面沉積不同厚度的Al2O3薄膜控制量子點和銀納米線之間的距離，研究了量子點激子復合的三個通道的衰減速率和表面等離激元量子效率對量子點與納米線之間距離的依賴關系。實驗結果表明，三個復合通道的激子衰減速率都隨著量子點和納米線之間距離的減小而增大，但是它們的增大速率不同，導致最大的表面等離激元量子效率出現在距離約為10 nm的時候。單個光子和單個表面等離激元的相互轉化使得利用量子光學技術來調控單個等離激元并設計基于此的新型量子器件成為可能，這一研究工作對于理解并控制納米量子光源和表面等離激元的相互作用尤為重要，對于設計用于納米光學和量子信息等領域的片上量子等離激元光學器件具有重要意義。該研究結果發表在Nano Letters 15, 8181 (2015)。
其次，在表面等離激元傳播的調控研究中也有新成果。銀納米線上的表面等離激元呈現出奇特的電場分布，基于對表面等離激元電場分布特性的認識和操控，可以實現表面等離激元信號路由器、邏輯門等納光子器件。這些現象和應用的基礎在于銀納米線可以同時傳導多個等離激元模式。他們研究發現，在具有結構對稱性破缺的銀納米線結構中，表面等離激元模式可以發生轉換，并利用模式轉換現象設計了一種主動型等離激元光開關【Scientific Reports 4, 4993 (2014)】。對于基底上的銀納米線，其上傳播的表面等離激元可以直接輻射到基底之中，這就類似于行波天線，具有高度的發射方向性和天線增益。通過對納米線介質環境的控制，實現了對銀納米線行波天線輻射方向的靈敏調控【Laser & Photonics Reviews 8, 596 (2014)】。納米線表面等離激元模式對介質有效折射率的靈敏響應還可以用于調控納米線波導網絡中表面等離激元信號的傳播和路徑選擇。他們研究發現，在納米線表面沉積10 nm厚的Al2O3薄膜就可以使表面等離激元信號改變在納米線網絡結構中的傳播路徑，并使兩個分支波導的輸出信號強度對激發光的偏振依賴性發生反轉。該研究結果發表在Nanoscale 7, 19053 (2015)。
金屬納米線和金屬薄膜是支持表面等離激元傳播的兩種典型結構，如何實現和控制等離激元在兩種結構之間的傳輸對基于兩種結構的納米光電器件的集成具有重要意義。他們研究了銀納米線與銀薄膜構成的復合結構中表面等離激元的傳播特性，發現通過在金屬納米線與金屬薄膜之間增加一個介質層，納米線上的等離激元可以轉化為薄膜上的等離激元。更重要的是薄膜上的等離激元表現為周期性的平行的等離激元束，完全不同于通常金屬薄膜上傳播的等離激元由于衍射效應而發散的傳播狀況。對納米線與薄膜等離激元模式的分析表明納米線等離激元激發了薄膜上的兩個等離激元波，兩者的干涉導致了薄膜上非衍射的等離激元場分布。通過控制介質層的厚度可以調控薄膜上等離激元的傳播方向。該研究結果發表在Nano Letters 15, 560 (2015)。
參加上述研究工作的研究生主要包括李強、潘登、田小銳、賈志立等。上述工作得到了中國科學院、國家自然科學基金委和科技部的資助。
(a) 量子點和銀納米線相互作用的示意圖；(b) 單個量子點和銀納米線耦合體系的熒光圖像；(c) 不同Al2O3厚度下量子點激子三個復合通道的衰減速率；(d) 不同Al2O3厚度下的表面等離激元量子效率。