一种利用金属纳米线上的表面等离激元干涉场作为激发源的超分辨激发和成像方法

光的衍射极限限制了常规光学成像的分辨率和介质光子器件的尺寸，将对光的操控和利用制约在波长水平，而金属纳米结构的表面等离激元可以将光场束缚在纳米结构表面，使突破衍射极限的纳米尺度光操控成为可能。金属纳米线不仅具有显著的局域电磁场增强效应，可以在纳米尺度上增强光与原子、分子、量子点、色心等纳米量子光源的相互作用，而且支持传输的表面等离激元模式，可作为等离激元纳米波导实现亚波长束缚的光信号传输，是构建片上纳米光子回路的基本元件。金属纳米线与单个纳米量子光源的耦合可以实现单个量子化的表面等离激元的产生和传输，对该体系的研究对于深入认识单光子水平上光与物质相互作用的基本物理和设计纳米量子光子器件都具有重要意义。集成在金属纳米线上的多个纳米量子光源可以通过表面等离激元发生相互作用，产生新的光学现象，如协同辐射和量子纠缠。当纳米光源之间的距离达到亚波长尺度时，光学显微镜的分辨率限制了对金属纳米线上的多个纳米光源进行超分辨成像和超分辨可控激发，阻碍了相关实验的进展。

图1. 利用银纳米线表面等离激元实现对量子点的可控激发

针对上述问题，中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心纳米物理与器件实验室魏红副研究员和合作者设计了一种利用金属纳米线上的表面等离激元干涉场作为激发源的超分辨激发和成像方法。由于表面等离激元干涉条纹的周期远小于激发光波长，这种方法具有突破衍射极限的光学分辨率。银纳米线上的传输表面等离激元与局域表面等离激元的干涉形成之字形分布的电场，反向传输的两束表面等离激元干涉形成周期性对称分布的电场。通过调控两束激发光之间的相位差，上述两种等离激元干涉场的分布都沿着纳米线移动，使纳米线上的量子点处的电场强度发生变化，从而可以调控量子点的激发。利用该方法可以实现对相距几十纳米的两个量子点的选择性激发，实验中通过对相距100 nm的两个量子点的选择性激发演示了该技术的可行性。通过将结构照明显微成像技术与金属纳米线上的表面等离激元干涉场相结合，利用模拟计算实现了对多个量子点的超分辨光学成像，分辨率约为96 nm。该工作为研究和表征等离激元纳米波导与多个纳米量子光源耦合体系的光学特性提供了一种实验方法，对于深入认识纳米尺度上表面等离激元增强的光与物质相互作用的机理和规律、设计基于表面等离激元的纳米/量子光子器件和回路等具有重要意义。相关研究结果发表在Nano Letters 18, 2009-2015 (2018)。

图2. 利用银纳米线表面等离激元选择性激发两个相距100 nm的量子点中的任意一个

魏红副研究员对金属纳米线表面等离激元的物理特性及其调控进行了长期的系统的研究，取得了一系列原创性的成果。最近她和合作者受邀在国际著名综述期刊Chemical Reviews（影响因子47.9）上发表邀请综述Plasmon Waveguiding in Nanowires [Chemical Reviews 118, 2882-2926 (2018)]。该论文得到了审稿人一致的高度评价，被认为是一篇非常及时、全面和权威的综述（“a very timely and comprehensive review”, “a comprehensive and authoritative review”），是纳米等离激元光子学领域最好的综述论文之一（“one of the best reviews in nanoplasmonics field”）。

图3. 将表面等离激元干涉场用于结构照明显微成像技术实现对多个量子点的超分辨光学成像

上述工作得到了中国科学院、国家自然科学基金委和科技部的资助。

图4. 金属纳米线中表面等离激元传输的示意图、表面等离激元模式色散关系的示意图以及三个研究方向