一種利用金屬納米線上的表面等離激元干涉場作為激發源的超分辨激發和成像方法

光的衍射極限限制了常規光學成像的分辨率和介質光子器件的尺寸，將對光的操控和利用制約在波長水平，而金屬納米結構的表面等離激元可以將光場束縛在納米結構表面，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效應，可以在納米尺度上增強光與原子、分子、量子點、色心等納米量子光源的相互作用，而且支持傳輸的表面等離激元模式，可作為等離激元納米波導實現亞波長束縛的光信號傳輸，是構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現單個量子化的表面等離激元的產生和傳輸，對該體系的研究對于深入認識單光子水平上光與物質相互作用的基本物理和設計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生相互作用，產生新的光學現象，如協同輻射和量子糾纏。當納米光源之間的距離達到亞波長尺度時，光學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行超分辨成像和超分辨可控激發，阻礙了相關實驗的進展。

圖1. 利用銀納米線表面等離激元實現對量子點的可控激發

針對上述問題，中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心納米物理與器件實驗室魏紅副研究員和合作者設計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源的超分辨激發和成像方法。由于表面等離激元干涉條紋的周期遠小于激發光波長，這種方法具有突破衍射極限的光學分辨率。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，反向傳輸的兩束表面等離激元干涉形成周期性對稱分布的電場。通過調控兩束激發光之間的相位差，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處的電場強度發生變化，從而可以調控量子點的激發。利用該方法可以實現對相距幾十納米的兩個量子點的選擇性激發，實驗中通過對相距100 nm的兩個量子點的選擇性激發演示了該技術的可行性。通過將結構照明顯微成像技術與金屬納米線上的表面等離激元干涉場相結合，利用模擬計算實現了對多個量子點的超分辨光學成像，分辨率約為96 nm。該工作為研究和表征等離激元納米波導與多個納米量子光源耦合體系的光學特性提供了一種實驗方法，對于深入認識納米尺度上表面等離激元增強的光與物質相互作用的機理和規律、設計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。相關研究結果發表在Nano Letters 18, 2009-2015 (2018)。

圖2. 利用銀納米線表面等離激元選擇性激發兩個相距100 nm的量子點中的任意一個

魏紅副研究員對金屬納米線表面等離激元的物理特性及其調控進行了長期的系統的研究，取得了一系列原創性的成果。最近她和合作者受邀在國際著名綜述期刊Chemical Reviews（影響因子47.9）上發表邀請綜述Plasmon Waveguiding in Nanowires [Chemical Reviews 118, 2882-2926 (2018)]。該論文得到了審稿人一致的高度評價，被認為是一篇非常及時、全面和權威的綜述（“a very timely and comprehensive review”, “a comprehensive and authoritative review”），是納米等離激元光子學領域最好的綜述論文之一（“one of the best reviews in nanoplasmonics field”）。

圖3. 將表面等離激元干涉場用于結構照明顯微成像技術實現對多個量子點的超分辨光學成像

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。

圖4. 金屬納米線中表面等離激元傳輸的示意圖、表面等離激元模式色散關系的示意圖以及三個研究方向