表面等离激元，是光与金属中自由电子相互作用形成的一种新型元激发，因其对光场具有亚波长尺度的约束能力和突破衍射极限的传输特性,在微纳光子器件和光子集成、超分辨成像等领域具有广阔的应用前景。然而由于等离激元激发有电子振荡参与，由焦耳热引起的损耗成了等离激元器件走向应用的瓶颈。对于微纳光子器件及集成芯片来说，寻找光频段低损耗的金属材料成了该领域研究人员多年来努力的目标。
近日，北京大学纳光电子前沿科学中心、人工微结构和介观物理国家重点实验室马仁敏课题组与南京大学朱嘉、周林、祝世宁研究团队、佐治亚理工蔡文杉等研究组合作，在钠金属薄膜和等离激元光子器件研究方面取得了重要突破。相关工作被《Nature》杂志以标题“Stable, high-performance sodium-based plasmonic devices in the near-infrared” 进行了长文报道。
金属钠膜的制备是钠基等离激元器件首先需要解决的问题。研究团队发展了独特的液态金属旋涂工艺，制成了金属钠薄膜，首次揭示了金属钠膜的优异光波段等离激元特性（图1）。研究结果证实金属钠的自由电子弛豫时间约为金属银的两倍，在1500 纳米附近表面等离激元在钠-二氧化硅界面的传播长度可达200微米以上，波导的品质因数是金属银的两倍以上。
图1 金属钠等离激元薄膜制备，等离激元特性和波导传播特性。 |
研究团队在此基础上进一步开发了钠基等离激元功能器件。纳米激光光源是光子芯片集成的核心器件之一，更小体积、更高调制速度、更低功耗且能在室温下工作的激光器一直是其发展的目标。例如，在电子芯片上实现光互连就要求激光器的特征尺度接近电子器件，功耗也要小于电互联。然而，常规激光的小型化受到光学衍射极限的制约，特征尺寸只能小至光波长量级。引入金属微纳结构，通过表面等离激元的辅助，光源不但能够突破光学衍射极限，缩小特征尺寸，而且能够增强光与物质相互作用，有效降低激光器的激射阈值和器件功耗。团队解决了钠旋涂工艺与微纳加工的兼容性问题，研制出了钠基通讯波段等离激元纳米激光器。室温下该激光器的光泵激射阈值仅为140千瓦每平方厘米，创造了同类等离激元纳米激光器室温激射的阈值新低（图2）。值得一提的是，得益于有效的封装保护，该激光器件在正常环境下6个月后仍然保持了良好的工作性能。同时，研究团队在高温和高湿环境下进行了钠基器件的加速老化实验，证明了制备的钠基等离激元器件具有非常好的耐受能力。
图2 钠基等离激元纳米激光器结构、激光模式场强分析和激光光谱分析 |
采用碱金属有效降低了等离激元材料光学损耗，为时空小尺度上光与物质耦合相互作用的研究提供了新的探索路径。以钠为代表的碱金属在近红外波段展现出优异的等离激元特性，为探寻低损耗等离激元光子材料提供了新的思路；低损耗、高性能的钠基等离激元器件的展示向等离激元集成应用方向迈出坚实的一步。同时碱金属低损耗的本征特性及极限仍有待深入挖掘，未来随着工艺发展与材料质量的提升，并结合碱金属独特的电化学特性，将为新型等离激元功能器件的发展提供新的机遇。
该工作发表于Nature（DOI: 10.1038/s41586-020-2306-9），南京大学汪洋、于健宇，北京大学毛逸飞及南京大学陈绩为共同第一作者；朱嘉，马仁敏，周林及祝世宁为论文通讯作者。这项工作得到国家自然科学基金委、科技部、北京市自然科学基金、纳光电子前沿科学中心、人工微结构和介观物理国家重点实验室、量子物质科学协同创新中心等的支持。南京大学、北京大学、佐治亚理工、浙江工商大学等单位研究人员参与合作。
■论文链接：
https://www.nature.com/articles/s41586-020-2306-9
