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華中科技大學為論文唯一單位，物理學院博士研究生李莞聰、周強為論文共同第一作者，陳學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)制金屬結構光學響應的思想，提出了構建電光調(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：量子等離激元效應不僅僅只是作為經(jīng)典局域電磁理論預測的修正，而更重要的是它本身可孕育顛覆性的應用技術。

金屬納米結構支撐表面等離激元，可以打破傳統(tǒng)光學的衍射極限從而允許高密度集成，同時金屬導體具備優(yōu)良的電學功能，因此可基于CMOS工藝將納米尺度的光學功能器件與微電子器件復合集成在同一芯片。金屬結構的光電復合微納集成，引導人們提出這樣的問題：能否實現(xiàn)電學直接調(diào)制金屬微納結構的光學響應？直接電學調(diào)制金屬結構光學響應具有誘人的前景，包括可望實現(xiàn)具有超快響應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)。由于金屬導體擁有極高的自由電子密度，三維結構包含數(shù)量龐大的自由電子——電子海洋，使得電學調(diào)控導致的表面效應根本無法撼動“電子海洋”的光學響應。

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

為了解決直接電學調(diào)制金屬等離激元光學響應的難題，陳學文教授團隊創(chuàng)造性地提出了“納米電子庫”（nanoscopicelectronreservoir,NER）的概念，用于對三維金屬結構等離激元和光學性質(zhì)進行有效的直接電調(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，因此構成一個光學天線，用于增強光學遠場響應。在天線上面部分的底端存在幾到十幾納米尺度的精細結構，即所述電調(diào)制機制的核心部分——“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，包括非局域性、電子溢出和朗道阻尼等。這些效應通常被認為有損于等離激元器件的性能。但是，與主流認知相反，在這項工作中，這些非經(jīng)典效應構成了超快、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（與光學頻率相比）電場或偏置電壓予以控制。NER就像在光學天線金屬結構的“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、量子流體力學模型、準正規(guī)模理論等方法的精確計算和設計，陳學文教授團隊優(yōu)化材料組合和幾何結構，提出了一種電光直接調(diào)制裝置，針對950納米波長的遠場入射光，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結構，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文教授團隊近年來在納米光學前沿領域的又一項重要階段性研究成果。此前，陳學文教授團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)？等光場局域相關現(xiàn)象展開了研究。團隊發(fā)現(xiàn)了一種新的光場局域機制，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天線效應該類模式可高效率地被遠場光所激發(fā)。另外，陳學文教授團隊在極端局域光場的理論描述方面也為領域做出了重要的貢獻，創(chuàng)造性地提出廣義洛倫茲模型，針對具有復雜非局域效應的非厄米系統(tǒng)，建立了一整套適用于極端納米光學的完備的、通用的準正規(guī)模理論，填補了在該方面準正規(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