等離體子物理學現狀與發展前景

喬若靜/編譯

等離體子物理學現狀與發展前景

喬若靜/編譯

根據最近的一項分析，等離體子學領域的技術成熟度發展已穩步爬升至光明期，在此階段對這一領域潛力的理性評估，有望產生廣泛的、對社會有用的多種實用性技術。大批研究人員集眾人之力，探索這一有可能產生許多驚人發現的新的研究領域，如等離體子非凡的光傳輸能力、負折射率新材料、等離激子激光器等。

在等離子體學領域內，有些人可能會比別人更早意識到，閃閃發光的未必都是金子，但在這個令人振奮的穩步爬升階段，大量人力物力資源的投入，顯然已為形成一個新的科學社區建立了堅實的概念基礎。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行光信號調制相關。但在開發應對這些問題的新方法新策略中，所獲得的新知識卻也是極其寶貴的。《自然》雜志納米技術專刊對這些新方法新策略進行了回顧，特別是對于如何實現在納米尺度上的光-物質相互作用的控制，研究人員對一些獨創性的方案進行了探索。

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

一種與眾不同的方法是將等離激元與聲子（聲音或振動能的量子）結合起來。在一篇文章中，約書亞·考德威爾（Joshua Caldwell）和他的同事對可維持等離激元-聲子極化聲子的電磁混合材料進行了研究。這種耦合模式可以減少光傳播損失，即使在中遠紅外波段仍然能夠保持在納米限度內；在范德瓦耳斯或共價異質結構中，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到同樣目的。雖然這些模式最早的實驗是通過石墨烯/六角氮化硼異質結構實現的，文章討論了從中紅外到太赫茲波段范圍內有效的各種材料組合，并構想了與水晶結合的合理設計，一種可適用于更廣泛波長范圍的新穎復合材料。

將目前等離體子領域內的研究知識轉化為實際應用的另一種想法是將各種作用力應用于納米尺度上，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，如庫侖力、洛倫茲力和安培力，都可以用于激發金屬表面，調制光信號。大型非線性光學、光電和磁光效應已被證明可動態控制亞波長分辨率的光信號。這項可與CMOS兼容的技術，已可在兆赫范圍提供頻率調制，并有可能應用于光學通信中。為示范普遍起作用的物理學原理，也可以通過熱、光學和磁性原理的交互作用達到快速驅動的目的。

當然，以上這些只是隨著等離體子學和超材料研究日益成熟，近年來脫穎而出具有潛在發展前途新技術中的幾種。其中，對光損失這一基本問題的認識，將促使科研界提出創造性的解決方案，通過非常規思路，找到獨辟蹊徑的解決方案，或尋找可與等離子體優點互補的材料、系統和交互方式。在這個初步發展和探索階段，對這一領域發展前景的具有說服力的評估也是最終實現其全部潛力所必不可少的。

[資料來源：Nature][責任編輯：彥隱]