光是传输信息的绝佳媒介。
光纤现在遍布全球，引导光信号传输大量的语音通信和海量数据。这种巨大的容量使一些研究人员预言，光子器件——可以引导和操纵可见光和其他电磁波——有朝一日可能会取代微处理器和其他计算机芯片中的电子电路。不幸的是，光子器件的尺寸和性能受到衍射极限的限制；由于间距紧密的光波之间存在干涉，承载它们的光纤宽度必须至少是光在介质内部波长的一半。对于基于芯片的光信号，最有可能采用约 1,500 纳米（十亿分之一米）的近红外波长，最小宽度远大于目前使用的最小电子器件；例如，硅集成电路中的一些晶体管的特征尺寸小于 100 纳米。
然而，最近，科学家们一直在研究一种新技术，用于通过微小的纳米级结构传输光信号。在 20 世纪 80 年代，研究人员通过实验证实，在适当的条件下，将光波 направлять 到金属和电介质（如空气或玻璃等非导电材料）之间的界面，可以引发波与金属表面移动电子之间的共振相互作用。（在导电金属中，电子并没有牢固地附着在单个原子或分子上。）换句话说，金属表面的电子振荡与金属外部的电磁场振荡相匹配。结果是产生表面等离子体激元——电子的密度波，它沿着界面传播，就像你向池塘中扔一块石头后在水面上传播的涟漪一样。
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在过去的十年中，研究人员发现，通过创造性地设计金属-电介质界面，他们可以产生与外部电磁波频率相同但波长短得多的表面等离子体激元。这种现象可能使等离子体激元能够沿着称为互连线的纳米级导线传播，从而将信息从微处理器的一个部分传输到另一个部分。等离子体激元互连线对于芯片设计师来说将是一个巨大的福音，他们已经能够开发出越来越小、速度越来越快的晶体管，但在构建能够快速跨芯片移动数据的微型电子电路方面却遇到了困难。
2000 年，我在加州理工学院的研究小组将这个新兴学科命名为“等离子体激元学”，预感到该领域的研究可能会催生一类全新的器件。最终，可能可以在各种仪器中使用等离子体激元组件，利用它们来提高显微镜的分辨率、发光二极管 (LED) 的效率以及化学和生物探测器的灵敏度。科学家们还在考虑医疗应用，例如，设计微小的粒子，这些粒子可以利用等离子体共振吸收来杀死癌组织。一些研究人员甚至推测，某些等离子体激元材料可能会在很大程度上改变物体周围的电磁场，以至于它会变得隐形。尽管并非所有这些潜在应用都可能被证实是可行的，但研究人员正在热切地研究等离子体激元学，因为这个新领域有望真正照亮纳米世界的奥秘。
波长缩短
千百年来，炼金术士和玻璃制造者在制作彩色玻璃窗和彩色高脚杯时，在不知不觉中利用了等离子体激元效应，这些彩色玻璃窗和彩色高脚杯在玻璃中融入了微小的金属颗粒。最著名的例子是莱克格斯杯，这是一个公元四世纪的罗马高脚杯，现藏于大英博物馆。由于玻璃基质中悬浮的金属颗粒中的电子的等离子体激元激发，杯子吸收和散射蓝光和绿光——可见光谱中相对较短的波长。当在反射光下观察时，等离子体激元散射使杯子呈现绿色色调，但是如果在高脚杯内放置一个白光源，玻璃会呈现红色，因为它只透射较长的波长并吸收较短的波长。[中断]
对表面等离子体激元的研究始于 20 世纪 80 年代，当时化学家使用拉曼光谱学研究这种现象，拉曼光谱学涉及观察激光从样品上的散射，以从分子振动中确定其结构。1989 年，当时在日本 NEC 研究所的托马斯·埃贝森发现，当他用光照射印有数百万个微孔的薄金膜时，箔片透射的光量比根据孔的数量和尺寸预期的要多。九年后，埃贝森和他的同事得出结论，薄膜上的表面等离子体激元正在增强电磁能量的传输。
随着新型“超材料”的发现，等离子体激元学领域获得了又一次推动，在超材料中，电子振荡可以产生惊人的光学特性[参见约翰·B·彭德里和大卫·R·史密斯的“超透镜的探索”；《大众科学》，2006 年 7 月]。两种新的工具也加速了等离子体激元学的进展：计算能力的最新提高使研究人员能够准确模拟等离子体激元效应产生的复杂电磁场，而构建纳米级结构的新方法使构建和测试超小型等离子体激元器件和电路成为可能。
乍一看，使用金属结构传输光信号似乎不切实际，因为金属以光学损耗高而闻名。在电磁场中振荡的电子与周围的原子晶格碰撞，迅速耗散场的能量。但是，与金属本体内部相比，在薄金属膜和电介质之间的界面处，等离子体激元的损耗较低，因为场会扩散到非导电材料中，那里没有自由电子振荡，因此也没有耗散能量的碰撞。这种特性自然地将等离子体激元限制在与电介质相邻的金属表面；例如，在具有电介质层和金属层的夹层结构中，表面等离子体激元仅在界面处的薄平面中传播。
由于这些平面等离子体激元结构充当波导，引导电磁波沿着金属-电介质边界传播，因此它们可能在芯片上的信号路由中很有用。尽管光学信号在金属中的损耗比在玻璃等电介质中更大，但等离子体激元可以在薄膜金属波导中传播几厘米，然后才会消失。如果波导采用非对称模式，则可以最大化传播长度，非对称模式会将大部分电磁能量从引导金属膜推向周围的电介质，从而降低损耗。由于金属膜顶面和底面的电磁场相互作用，因此可以通过改变膜的厚度来调整等离子体激元的频率和波长。在 20 世纪 90 年代，由丹麦奥尔堡大学的谢尔盖·博泽沃尼和渥太华大学的皮埃尔·贝里尼领导的研究小组开发了平面等离子体激元组件，这些组件可以执行许多与全电介质器件通常执行的相同功能——例如，分裂引导波。这些结构可能在将数据从芯片的一个部分传输到另一个部分时很有用，但是伴随等离子体激元的电磁场太大，无法通过处理器的纳米级内部结构传输信号。
等离子体激元的传播就像你向池塘中扔一块石头后在水面上传播的涟漪一样。
为了产生可以在纳米级导线中传播的等离子体激元，研究人员探索了更复杂的波导几何形状，这些形状可以通过将信号压缩到狭窄的空间中来缩小信号的波长。在 20 世纪 90 年代后期，我的实验室小组和奥地利格拉茨大学的约阿希姆·克伦领导的团队并行启动了生产这些“亚波长”表面等离子体激元波导的工作。在加州理工学院与我合作的斯特凡·迈尔构建了一个由线性金点链组成的结构，每个金点的直径都小于 100 纳米。波长为 570 纳米的可见光束触发了金点中的共振振荡，产生了沿着链移动的表面等离子体激元，这些等离子体激元被限制在仅 75 纳米高的扁平路径中。格拉茨小组取得了类似的结果，并对沿着链携带的等离子体激元图案进行了成像。然而，这些纳米线的吸收损耗相对较高，导致信号在传播几百纳米到几微米（百万分之一米）后消失。因此，这些波导仅适用于非常短距离的互连。[中断]
幸运的是，可以通过将等离子体激元波导翻转过来，将电介质放在核心位置并用金属包围它来最大限度地减少吸收损耗。在这种称为等离子体激元槽波导的器件中，调整电介质核心的厚度会改变等离子体激元的波长。我在加州理工学院的实验室和马克·布朗格斯玛的斯坦福大学小组已经证明，等离子体激元槽波导能够传输远达数十微米的信号。日本国立材料科学研究所的宫崎英树通过将红光（在自由空间中的波长为 651 纳米）压缩到厚度仅为 3 纳米、宽度为 55 纳米的等离子体激元槽波导中，获得了惊人的结果。研究人员发现，通过器件传播的表面等离子体激元的波长为 51 纳米，约为自由空间波长的 8%。
因此，等离子体激元学可以通过用可见光激发材料来产生波长在软 X 射线范围（10 到 100 纳米之间）内的信号。波长可以相对于其自由空间值减小 10 倍以上，但信号的频率保持不变。（频率乘以波长等于光速的基本关系得以保留，因为电磁波在沿着金属-电介质界面传播时速度会减慢。）这种显著缩小波长的能力为纳米级等离子体激元结构开辟了道路，这些结构可以取代包含导线和晶体管的纯电子电路。
正如现在使用光刻技术在硅芯片上印制电路图案一样，类似的工艺可以大规模生产微小的等离子体激元器件，这些器件具有狭窄的电介质条纹和间隙阵列。这些阵列将引导金属表面上正电荷和负电荷的波；交替的电荷密度将非常类似于沿着普通导线传播的交流电。但是，由于光学信号的频率比电信号的频率高得多——超过 400,000 吉赫兹，而电信号的频率为 60 赫兹——等离子体激元电路将能够携带更多数据。此外，由于电荷不会从等离子体激元电路的一端传输到另一端——电子聚在一起并分散开来，而不是沿单一方向流动——因此该器件不受电阻和电容效应的影响，而电阻和电容效应限制了具有电子互连线的集成电路的数据承载能力。
如果研究人员能够设计出“等离子体激元晶体管”开关——一种具有类似晶体管特性的三端等离子体激元器件，等离子体激元电路将更快、更有用。我在加州理工学院的实验室和其他研究小组最近开发了这种开关的低功耗版本。如果科学家能够生产出性能更好的等离子体激元晶体管，这些器件可能会成为超高速信号处理系统的核心，这项进步可能会在未来 10 到 20 年内彻底改变计算技术。
纳米外壳和隐形斗篷
等离子体激元器件的潜在用途远远超出计算领域。莱斯大学的内奥米·哈拉斯和彼得·诺德兰德开发了一种称为纳米外壳的结构，该结构由一层薄薄的金层（通常约 10 纳米厚）沉积在直径约 100 纳米的二氧化硅颗粒的整个表面周围组成。暴露于电磁波会产生金壳中的电子振荡；由于壳的内表面和外表面上的场之间存在耦合相互作用，因此改变颗粒的大小和金层的厚度会改变颗粒共振吸收能量的波长。通过这种方式，研究人员可以将纳米外壳设计为选择性地吸收短至几百纳米（可见光谱的蓝色端）或长至近 10 微米（近红外）的波长。
这种现象已使纳米外壳成为一种有前途的癌症治疗工具。2004 年，哈拉斯与她在莱斯的同事詹妮弗·韦斯特合作，将等离子体激元纳米外壳注入患有癌性肿瘤的小鼠的血液中，发现这些颗粒是无毒的。更重要的是，纳米外壳倾向于嵌入啮齿动物的癌组织而不是健康组织中，因为流向快速生长的肿瘤的血液更多。（纳米外壳也可以附着在抗体上，以确保它们靶向癌症。）[中断]
幸运的是，人体和动物组织在某些红外波长下是透明的。当研究人员将近红外激光通过小鼠的皮肤 направлять 到肿瘤时，嵌入的纳米外壳中的能量共振吸收将癌组织的温度从约 37 摄氏度提高到约 45 摄氏度。
光热加热杀死了癌细胞，同时使周围的健康组织毫发无损。在接受纳米外壳治疗的小鼠中，所有癌症迹象都在 10 天内消失了；在对照组中，肿瘤继续快速生长。总部位于休斯顿的 Nanospectra Biosciences 公司目前正在向食品和药物管理局申请批准，以对头颈癌患者进行纳米外壳疗法的临床试验。
等离子体激元材料也可能通过使 LED 足够亮以与白炽灯竞争来彻底改变照明行业。从 20 世纪 80 年代开始，研究人员认识到金属-电介质边界处电场的等离子体激元增强可以提高放置在金属表面附近的荧光染料的发射率。最近，人们越来越清楚地认识到，这种类型的场增强还可以显著提高量子点和量子阱（吸收和发射光的小型半导体结构）的发射率，从而提高固态 LED 的效率和亮度。2004 年，我在加州理工学院的同事阿克塞尔·舍勒与日本日亚化学工业株式会社的同事一起证明，用等离子体激元纳米颗粒（由银、金或铝制成）的密集阵列涂覆氮化镓 LED 的表面可以将发射光的强度提高 14 倍。
此外，等离子体激元纳米颗粒可能使研究人员能够开发出由硅制成的 LED。与传统的由氮化镓或砷化镓组成的 LED 相比，这种器件会便宜得多，但目前因其发光率低而受到阻碍。我在加州理工学院的研究小组与由荷兰 FOM 原子与分子物理研究所的阿尔伯特·波尔曼领导的团队合作，已经证明将银或金等离子体激元纳米结构与硅量子点阵列耦合可以将其发光量提高约 10 倍。此外，可以通过调整纳米颗粒的尺寸来调整增强发射的频率。我们的计算表明，仔细调整等离子体激元共振频率并精确控制金属颗粒和半导体材料之间的分离可以使我们能够将辐射率提高 100 倍以上，从而使硅 LED 像传统器件一样明亮地发光。
科学家们甚至正在研究等离子体激元激光器的类似物。佐治亚州立大学的马克·斯托克曼和特拉维夫大学的大卫·伯格曼描述了这种器件的物理原理，他们称之为 SPASER（表面等离子体激元受激辐射放大的英文缩写）。尽管 SPASER 目前仅存在于理论中，但研究人员已经提出了使用半导体量子点和金属颗粒制造它的途径。来自量子点的辐射能量将转化为等离子体激元，然后在等离子体激元谐振器中放大。由于 SPASER 产生的等离子体激元比传统的激光束更紧密地定位，因此该器件可以在非常低的功率下运行，并选择性地激发非常小的物体。因此，SPASER 可以使光谱学更灵敏，并为危险材料探测器铺平道路，该探测器可以识别微量的化学物质或病毒。
也许等离子体激元学最令人着迷的潜在应用将是隐形斗篷的发明。1897 年，H. G. 威尔斯出版了《隐形人》，这是一个关于一位年轻科学家发现如何使自己身体的折射率等于空气折射率的故事，从而使他隐形。（材料的折射率是真空中光速与材料中光速之比。）用接近结构共振频率的辐射激发等离子体激元结构可以使其折射率等于空气的折射率，这意味着它既不会弯曲也不会反射光。该结构会吸收光，但如果它与产生光学增益的材料层压在一起——就像 SPASER 中的谐振器一样放大传输信号——强度的增加将抵消吸收损耗。该结构将变得隐形，至少对于选定频率范围内的辐射而言。[中断]
然而，真正的隐形斗篷必须能够隐藏结构内的任何东西，并且适用于所有频率的可见光。制造这种器件将更加困难，但一些物理学家表示这是可能的。2006 年，伦敦帝国学院的约翰·B·彭德里和他的同事表明，理论上，超材料外壳可以重新路由通过它的电磁波，将它们绕过内部的球形区域。
尽管威尔斯的隐形人可能永远不会成为现实，但这些想法说明了丰富的光学特性，这些特性启发了等离子体激元学领域的研究人员。通过研究电磁波和自由电子之间错综复杂的相互作用，研究人员已经为在我们的集成电路中传输数据、照亮我们的房屋和对抗癌症找到了新的可能性。进一步探索这些有趣的等离子体激元现象可能会产生更令人兴奋的发现和发明。