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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(shí)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(shí)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(shí)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(dòng)「電子海洋」的光學(xué)響應(yīng)。

創(chuàng)新研究

圖1：三維金屬等離激元和光場(chǎng)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(duì)創(chuàng)造性地提出了「納米電子庫」（nanoscopicelectronreservoir,NER）的概念，用于對(duì)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(gè)金屬納米二聚體，尺寸為百納米量級(jí)，因此構(gòu)成一個(gè)光學(xué)天線，用于增強(qiáng)光學(xué)遠(yuǎn)場(chǎng)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(chǎng)分布如圖1(b)所示。

在模場(chǎng)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(xiàng)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。

圖2:3D金屬配置中的電漿調(diào)諧

等離激元模式的性質(zhì)（如本征頻率）主要取決于模場(chǎng)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(chǎng)、低頻（與光學(xué)頻率相比）電場(chǎng)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(dòng)就足以對(duì)「小水庫」造成顯著影響。如圖1(c)所示，在外加電信號(hào)作用下NER的基態(tài)電子密度分布確實(shí)發(fā)生了顯著改變，并且空間上與等離激元模場(chǎng)分布高度重合。

經(jīng)過基于時(shí)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(jì)算和設(shè)計(jì)，陳學(xué)文教授團(tuán)隊(duì)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(duì)950納米波長(zhǎng)的遠(yuǎn)場(chǎng)入射光，在±2伏偏置電壓作用下，散射截面的相對(duì)改變量可達(dá)到150%。

提出的電光調(diào)制方案具有幾個(gè)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(jiǎn)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(zhǎng)范圍。