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華中科技大學(xué)為論文唯一單位，物理學(xué)院博士研究生李莞聰、周強(qiáng)為論文共同第一作者，陳學(xué)文教授和張樸副教授為論文共同通訊作者。論文引入了電場直接調(diào)制金屬結(jié)構(gòu)光學(xué)響應(yīng)的思想，提出了構(gòu)建電光調(diào)制器的新方案，理論上該調(diào)制器具備超快調(diào)制速度（~10-20 飛秒）和超低能耗（< 100 阿焦/比特）等重要特性。這項成果為實現(xiàn)超快、超低能耗電光調(diào)制提供了一種全新的思路，同時也生動地說明：量子等離激元效應(yīng)不僅僅只是作為經(jīng)典局域電磁理論預(yù)測的修正，而更重要的是它本身可孕育顛覆性的應(yīng)用技術(shù)。

金屬納米結(jié)構(gòu)支撐表面等離激元，可以打破傳統(tǒng)光學(xué)的衍射極限從而允許高密度集成，同時金屬導(dǎo)體具備優(yōu)良的電學(xué)功能，因此可基于CMOS工藝將納米尺度的光學(xué)功能器件與微電子器件復(fù)合集成在同一芯片。金屬結(jié)構(gòu)的光電復(fù)合微納集成，引導(dǎo)人們提出這樣的問題：能否實現(xiàn)電學(xué)直接調(diào)制金屬微納結(jié)構(gòu)的光學(xué)響應(yīng)？直接電學(xué)調(diào)制金屬結(jié)構(gòu)光學(xué)響應(yīng)具有誘人的前景，包括可望實現(xiàn)具有超快響應(yīng)和極小尺寸的電光調(diào)制器。然而，這種美好愿景卻面臨著原理上的巨大挑戰(zhàn)。由于金屬導(dǎo)體擁有極高的自由電子密度，三維結(jié)構(gòu)包含數(shù)量龐大的自由電子——電子海洋，使得電學(xué)調(diào)控導(dǎo)致的表面效應(yīng)根本無法撼動“電子海洋”的光學(xué)響應(yīng)。

圖1：三維金屬等離激元和光場的直接電調(diào)制原理示意圖

為了解決直接電學(xué)調(diào)制金屬等離激元光學(xué)響應(yīng)的難題，陳學(xué)文教授團(tuán)隊創(chuàng)造性地提出了“納米電子庫”（nanoscopicelectronreservoir,NER）的概念，用于對三維金屬結(jié)構(gòu)等離激元和光學(xué)性質(zhì)進(jìn)行有效的直接電調(diào)制。工作原理如圖1所示，圖1(a)中主體是一個金屬納米二聚體，尺寸為百納米量級，因此構(gòu)成一個光學(xué)天線，用于增強(qiáng)光學(xué)遠(yuǎn)場響應(yīng)。在天線上面部分的底端存在幾到十幾納米尺度的精細(xì)結(jié)構(gòu)，即所述電調(diào)制機(jī)制的核心部分——“納米電子庫”NER，它可以支持高度局域的等離激元本征模式，典型的模場分布如圖1(b)所示。在模場如此局域的NER中，自由電子將表現(xiàn)出顯著的非經(jīng)典效應(yīng)，包括非局域性、電子溢出和朗道阻尼等。這些效應(yīng)通常被認(rèn)為有損于等離激元器件的性能。但是，與主流認(rèn)知相反，在這項工作中，這些非經(jīng)典效應(yīng)構(gòu)成了超快、高能量效率等離激元直接電調(diào)制的底層物理機(jī)制。等離激元模式的性質(zhì)（如本征頻率）主要取決于模場集中區(qū)域的自由電子密度分布，而電子密度分布可以通過施加靜電場、低頻（與光學(xué)頻率相比）電場或偏置電壓予以控制。NER就像在光學(xué)天線金屬結(jié)構(gòu)的“電子海洋”邊上筑起的“納米尺度電子小水庫”，只需施加較小的擾動就足以對“小水庫”造成顯著影響。如圖1(c)所示，在外加電信號作用下NER的基態(tài)電子密度分布確實發(fā)生了顯著改變，并且空間上與等離激元模場分布高度重合。經(jīng)過基于時域密度泛函理論、量子流體力學(xué)模型、準(zhǔn)正規(guī)模理論等方法的精確計算和設(shè)計，陳學(xué)文教授團(tuán)隊優(yōu)化材料組合和幾何結(jié)構(gòu)，提出了一種電光直接調(diào)制裝置，針對950納米波長的遠(yuǎn)場入射光，在±2伏偏置電壓作用下，散射截面的相對改變量可達(dá)到150%。提出的電光調(diào)制方案具有幾個重要特性：(1)超快的調(diào)制速度，大約10~20飛秒； (2)超低能耗。根據(jù)簡單估算，單次調(diào)制操作的能耗低于100阿焦；（3）具有普適性。適用于多種金屬/介質(zhì)材料組合以及不同幾何形狀的天線和NER結(jié)構(gòu)，能夠覆蓋從可見光至近紅外的波長范圍。

這項研究工作是陳學(xué)文教授團(tuán)隊近年來在納米光學(xué)前沿領(lǐng)域的又一項重要階段性研究成果。此前，陳學(xué)文教授團(tuán)隊針對光物理的基本問題：光場到底可被壓縮到多小的空間范圍內(nèi)？等光場局域相關(guān)現(xiàn)象展開了研究。團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)了一種新的光場局域機(jī)制，以《Bright Optical Eigenmode of 1 nm³Mode Volume》為題發(fā)表于《物理評論快報》(Phys. Rev.Lett.126,257401(2021))，指出在可見光波段存在一類低至1立方納米體積的本征光場模式，成果并且指出基于光學(xué)天線效應(yīng)該類模式可高效率地被遠(yuǎn)場光所激發(fā)。另外，陳學(xué)文教授團(tuán)隊在極端局域光場的理論描述方面也為領(lǐng)域做出了重要的貢獻(xiàn)，創(chuàng)造性地提出廣義洛倫茲模型，針對具有復(fù)雜非局域效應(yīng)的非厄米系統(tǒng)，建立了一整套適用于極端納米光學(xué)的完備的、通用的準(zhǔn)正規(guī)模理論，填補(bǔ)了在該方面準(zhǔn)正規(guī)模理論的空白，成果也發(fā)表于《物理評論快報》Phys. Rev. Lett.127, 267401 (2021)。

論文鏈接:https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.128.217401

參考資料：http://news.hust.edu.cn/info/1003/44937.htm