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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)電學直接調制金屬微納結構的光學響應？直接電學調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，使得電學調控導致的表面效應根本無法撼動「電子海洋」的光學響應。

創(chuàng)新研究

圖1：三維金屬等離激元和光場的直接電調制原理示意圖

為了解決直接電學調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進行有效的直接電調制。

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制的底層物理機制。

圖2:3D金屬配置中的電漿調諧

等離激元模式的性質（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%。

提出的電光調制方案具有幾個重要特性：

(1)超快的調制速度，大約10~20飛秒； 

(2)超低能耗。根據(jù)簡單估算，單次調制操作的能耗低于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。