研究人员Debunk拥有数十年历史的光子学神话，展示了实用的金属纳米结构

艺术家对超表面的看法，该超表面是由矩形金纳米结构的矩形阵列组成，可产生等离子体表面晶格共振。

渥太华大学的研究人员最近发表在《自然通讯》上的发现，揭露了金属在光子学中无用的十年之久的神话，即光的科学和技术，这一发现被揭露了，有望在纳米光子学领域带来许多应用。

“我们将金属纳米粒子的周期性阵列的共振质量因子（Q因子）的记录比以前的报告打破了一个数量级，”资深作者，加拿大集成光子学研究主任（第2层）Ksenia Dolgaleva博士说。渥太华大学电气工程与计算机科学学院（EECS）的副教授。

“众所周知，金属与光相互作用时损耗很大，这意味着它们会导致电能耗散。高损耗损害了它们在光学和光子学中的使用。我们证明了在由嵌入平板玻璃基板内部的金属纳米粒子阵列组成的超表面（人工结构化表面）中的超高Q共振。这些共振可用于有效的光操纵和增强的光-物质相互作用，表明金属在光子学中很有用。”

“在以前的工作中，研究人员试图减轻因获得金属纳米粒子阵列的有利特性而造成的损失的不利影响，”研究的共同作者，美国渥太华大学EECS博士生MdSaad Bin-Alam说道。

“但是，他们的尝试并未显着改善阵列共振的品质因数。我们实现了技术的组合，而不是单一的方法，并获得了数量级的改进，证明了具有创纪录的高品质因数的金属纳米颗粒阵列（金属表面）。”

根据研究人员的说法，结构化表面（也称为超表面）在各种纳米光子应用中具有非常有前途的前景，而使用传统的天然材料无法进行探索。传感器，纳米激光，光束整形和操纵只是众多应用中的几个例子。

“由贵金属纳米粒子（例如金或银）制成的表面比非金属纳米粒子具有一些独特的优势。他们可以限制和控制光的纳米级体积，该体积小于光波长的四分之一（小于100 nm，而头发的宽度超过10000 nm），” Mad Saad Bin-Alam解释说。

有趣的是，与非金属纳米粒子不同，光不会局限或捕获在金属纳米粒子内部，而是会聚在其表面附近。这种现象在科学上被称为“局部表面等离振子共振（LSPR）”。与电介质对应物相比，此功能为金属纳米颗粒提供了极大的优势，因为人们可以利用这种表面共振来检测医学或化学领域中的生物或分子。而且，这种表面共振可以用作激光增益所需的反馈机制。这样，就可以实现一种可以在许多未来的纳米光子应用中采用的纳米级微型激光器，例如用于远场物体检测的光检测和测距（LiDAR）。

研究人员认为，这些应用的效率取决于谐振Q因子。

“不幸的是，由于金属纳米颗粒的高'吸收性'和'辐射性'损失，LSPRs Q因子非常低，”该大学物理系博士后研究员Orad Reshef博士说。渥太华。

“十多年前，研究人员发现了一种通过将纳米颗粒小心地排列在晶格中来减轻耗散损失的方法。通过这种“表面晶格”操纵，出现了具有抑制损耗的新“表面晶格共振（SLR）”。在我们开展工作之前，单反相机中报告的最大Q因子约为数百。尽管此类早期报道的SLR比低Q LSPR更好，但对于有效的应用而言，它们仍然不是很令人印象深刻。这导致了一个神话，即金属在实际应用中没有用。

在2017年至2020年期间，该小组能够在渥太华大学高级研究综合大楼工作期间解构的神话。

“最初，我们对金纳米粒子的超颖表面进行了数值建模，并惊讶地获得了数千个质量因数，”主要设计超颖表面结构的Md Saad Bin-Alam说。

“这个值从未通过实验得到报道，我们决定分析原因并尝试进行如此高Q的实验演示。我们观察到一个非常高Q的SLR，其值接近2400，至少比最大SLR大10倍。单反相机Q早些时候曾报道过。”

这一发现使他们意识到，关于金属还有很多知识要学习。

“我们的研究证明，我们还远远不了解金属（等离子）纳米结构的所有隐藏奥秘，”制造超表面样本的Orad Reshef博士总结道。“我们的工作揭穿了十年之久的神话，即这种结构由于损耗高而不适用于现实生活中的光学应用。Wed证明，通过适当地设计纳米结构并认真进行一项实验，可以显着改善结果。”

参考：M. Saad Bin-Alam，Orad Reshef，Yaryna Mamchur，M。Zahirul Alam，Graham Carlow，Jeremy Upham，Brian T. Sullivan，Jean-MichelMénard，Mikko J. Huttunen撰写的“等离子体超表面的超高Q共振” ，Robert W. Boyd和Ksenia Dolgaleva，2021年2月12日，自然通讯。DOI：
10.1038 / s41467-021-21196-2

该论文发表在《自然通讯》上。Saad Bin-Alam博士和Orad Reshef博士主要进行了这项研究。他们分别在实验和数值建模中得到了Yaryna Mamchur和Mikko Huttunen博士的支持。Ksenia Dolgaleva教授和Robert W. Boyd教授与Jean-MichelMénard教授和Iridian Spectral Inc.公司共同监督了这项研究。其他合著者Zahirul Alam博士和Jeremy Upham博士也参与了手稿的准备工作。Alam博士还帮助进行了实验设置。