[科普中國(guó)]-表面等離極化激元

表面等離極化激元 （Surface Plasmon Polaritons）是一種在金屬–電介質(zhì)或金屬-空氣界面上傳播的處于紅外或可見光波段的電磁波。"表面等離極化激元"這一術(shù)語(yǔ)闡明了這一物理現(xiàn)象既包含金屬中的電子運(yùn)動(dòng)（"表面等離激元"），也包含在空氣或電介質(zhì)中傳播的電磁波（"極化子"）。

簡(jiǎn)介表面等離極化激元（Surface Plasmon Polaritons）是一種在金屬–電介質(zhì)或金屬-空氣界面上傳播的處于紅外或可見光波段的電磁波。"表面等離極化激元"這一術(shù)語(yǔ)闡明了這一物理現(xiàn)象既包含金屬中的電子運(yùn)動(dòng)（"表面等離激元"），也包含在空氣或電介質(zhì)中傳播的電磁波（"極化子"）。

表面等離極化激元是一種表面波, 如同光在光纖中傳播一樣，表面等離極化激元僅在金屬和電介質(zhì)的界面上傳播。表面等離極化激元比使其激發(fā)的入射光（光子）具有更短的波長(zhǎng)。因此，表面等離極化激元具有更好空間局域性和更高的局部場(chǎng)強(qiáng).其電場(chǎng)垂直于金屬表面，且具有亞波長(zhǎng)局域性。表面等離極化激元會(huì)在界面上傳播，直至其能量由于金屬的吸收或者向其他方向的散射而消耗殆盡（比如向自由空間的散射）。

對(duì)于表面等離激元相關(guān)物理機(jī)制的研究和應(yīng)用使得應(yīng)用于顯微科學(xué)的亞波長(zhǎng)光學(xué)和突破衍射極限的光刻技術(shù)成為可能。其同樣促成了第一次對(duì)光子本身基本微觀力學(xué)性質(zhì)的測(cè)量：光子在電介質(zhì)中的動(dòng)量。 其他應(yīng)用還包括光子數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，生物光子學(xué)等。1

激發(fā)SPP可以通過(guò)電子和光子激發(fā)。電子激發(fā)方法將電子加速并射入金屬體中，這一過(guò)程伴隨著能量從電子到金屬等離子體的轉(zhuǎn)移。平行于金屬表面的散射分量導(dǎo)致了表面等離極化激元的形成。

對(duì)于激發(fā)表面等離極化激元的光子，兩者必須具有相同的頻率和動(dòng)量。然而，由于不同的色散關(guān)系（見下文），對(duì)于給定的頻率，自由空間光子的動(dòng)量比等離激元更小。這種動(dòng)量的不匹配是由于來(lái)自空氣的自由空間光子不能直接耦合激發(fā)表面等離極化激元的原因。同樣的原因，光滑金屬表面上的極化激元不能將能量通過(guò)自由空間光子的形式發(fā)射到電介質(zhì)中（如果電介質(zhì)是均勻的話）。這種不兼容性與全反射類似。

盡管如此，光子與SPP的耦合可以通過(guò)使用耦合介質(zhì)來(lái)實(shí)現(xiàn)，例如光學(xué)棱鏡或光柵來(lái)匹配光子和SPP的波矢（從而匹配它們的動(dòng)量）。棱鏡可以靠Kretschmann配置中的薄金屬膜定位，或者非常接近Otto配置中的金屬表面。光柵耦合器通過(guò)增加波矢的平行分量來(lái)實(shí)現(xiàn)匹配。該方法雖然不經(jīng)常使用，但對(duì)于理論上理解表面表面粗糙度的影響至關(guān)重要。此外，金屬表面上的孤立缺陷，例如在平坦表面上的凹槽，狹縫或波紋，提供了自由空間輻射和表面等離極化激元交換能量并相互耦合的機(jī)制。1

表面等離激元表面等離激元（Surface Plasmon）是金屬表面電子在外界電磁場(chǎng)作用下產(chǎn)生集體振蕩的現(xiàn)象，分為局域表面等離子共振（Local Surface Plasmon Resonance，LSPR）和表面等離極化激元（Surface Plasmon Polariton，SPPs）兩種。

LSPR是在入射光激發(fā)下產(chǎn)生于正負(fù)介電常數(shù)材料界面處的傳導(dǎo)電子諧振現(xiàn)象。在共振波長(zhǎng)處表現(xiàn)為近場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)增強(qiáng)。這個(gè)近場(chǎng)高度集中在納米顆粒中，并在遠(yuǎn)離納米顆粒/電介質(zhì)界面進(jìn)入到電介質(zhì)基底中時(shí)迅速衰減。光強(qiáng)的增強(qiáng)是局部表面等離共振的一個(gè)重要方面，局域意味著LSPR有很高空間頻率（亞波長(zhǎng)），并且僅受納米粒子尺寸的限制。由于電場(chǎng)振幅的增強(qiáng)，基于振幅增強(qiáng)的效應(yīng)如磁光效應(yīng)也因局部表面等離共振的存在而增強(qiáng)。

LSPR是許多測(cè)量平面金屬（通常是金或銀）表面或金屬納米顆粒表面上材料的吸收的基礎(chǔ)，也是很多基于顏色的生物傳感器應(yīng)用的基本原理。

SPP是沿金屬-電介質(zhì)或金屬-空氣交界面?zhèn)鞑サ募t外或可見光波段的電磁波。SPP波長(zhǎng)比入射光（光子）的波長(zhǎng)短。因此，SPP有更嚴(yán)格的空間約束和更高的局部場(chǎng)強(qiáng)。在垂直于交界面的方向上有亞波長(zhǎng)量級(jí)的約束。表面等離激元會(huì)沿交界面?zhèn)鞑ィ钡侥芰肯?，包括被金屬吸收或散射到其他方向（例如自由空間）。

表面等離激元的應(yīng)用使得亞波長(zhǎng)的顯微鏡和光刻超出了衍射極限的限制。同時(shí)也能夠用第一穩(wěn)態(tài)微機(jī)械測(cè)量光本身的基本屬性：電介質(zhì)中的光子動(dòng)量。其他的應(yīng)用有光子數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、光振蕩和雙光子效應(yīng)等。2

相關(guān)條目表面等離激元

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

劉軍 - 副研究員 - 中國(guó)科學(xué)院工程熱物理研究所