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。这种巨大的容量使得一些研究人员预言，光子器件——用于引导和操控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；由于紧密间隔的光波之间存在干涉，携带这些光波的光纤的宽度必须至少是材料内部光波波长的一半。对于芯片上的光学信号，它们很可能采用大约1500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通过微小的纳米级结构传输光学信号的新技术。在 20 世纪 80 年代，研究人员通过实验证实，在适当的情况下，将光波导向金属和电介质（如空气或玻璃等非导电材料）之间的界面，可以在波和金属表面的移动电子之间产生共振相互作用。（在导电金属中，电子并非牢固地附着在单个原子或分子上。）换句话说，金属表面电子的振荡与金属外部的电磁场振荡相匹配。其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，就像你把石头扔进水塘后在水面上传播的涟漪一样。
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在过去的十年里，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具有相同频率但波长短得多的表面等离子体激元。这种现象可以使等离子体激元沿着称为互连的纳米级导线传播，将信息从微处理器的一个部分传递到另一个部分。等离子体激元互连对于芯片设计人员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，但在构建能够在芯片上快速移动数据的微型电子电路方面却面临困难。
2000 年，我在加州理工学院的小组将这个新兴学科命名为等离子体激元学，感觉到该领域的研究可能会带来一类全新的设备。最终，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，设计可以使用等离子体激元共振吸收来杀死癌组织的微小颗粒。一些研究人员甚至推测，某些等离子体激元材料可能会在一定程度上改变物体周围的电磁场，使其变得不可见。尽管并非所有这些潜在应用都被证明是可行的，但研究人员正在积极研究等离子体激元学，因为这个新领域有望真正揭示纳米世界的奥秘。
缩短波长
数千年来，炼金术士和玻璃制造商在玻璃中加入微小的金属颗粒来制作彩色玻璃窗和彩色酒杯时，无意中利用了等离子体激元效应。最著名的例子是利库戈斯杯，这是一个可追溯到公元四世纪的罗马酒杯，现藏于大英博物馆[见第 62 页的插图]。由于悬浮在玻璃基质中的金属颗粒中的电子的等离子体激元激发，酒杯会吸收和散射蓝色和绿色光——可见光谱中相对较短的波长。在反射光下观察时，等离子体激元散射使酒杯呈现绿色调，但如果将白色光源放置在酒杯内，玻璃会呈现红色，因为它仅传输较长的波长并吸收较短的波长。
对表面等离子体激元的研究于 20 世纪 80 年代开始认真进行，当时化学家使用拉曼光谱法研究这种现象，拉曼光谱法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，箔片传输的光比孔的数量和大小所预期的要多。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加强电磁能的传输。
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，在这些超材料中，电子振荡可以产生惊人的光学特性。两类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地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，因为众所周知，金属的光学损耗很高。在电磁场中振荡的电子与周围的原子晶格碰撞，迅速耗散场能。但是，在薄金属膜和电介质之间的界面上，等离子体激元损耗低于金属块内部，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，在具有电介质和金属层的夹层中，表面等离子体激元仅在界面的薄平面上传播[见上一页方框中的顶部插图]。
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路由信号时很有用。虽然光学信号在金属中的损耗比在玻璃等电介质中的损耗要大，但等离子体激元可以在薄膜金属波导中传播数厘米，然后才会消失。如果波导采用不对称模式，则可以最大限度地延长传播长度，这将使大部分电磁能量远离引导金属膜并进入周围的电介质，从而降低损耗。由于金属膜顶面和底面的电磁场相互作用，因此可以通过改变薄膜的厚度来调整等离子体激元的频率和波长。在 20 世纪 90 年代末，由丹麦奥尔堡大学的谢尔盖·博热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工作在 1500 纳米电信波长下的平面等离子体激元组件，它们可以执行通常由全电介质器件完成的许多相同功能，例如分裂导波。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传递信号。
为了产生能够通过纳米级导线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，这种几何形状可以通过将信号挤压到狭窄的空间中来缩小信号的波长。在 20 世纪 90 年代末，我的实验室小组和由奥地利格拉茨大学的弗朗茨·奥森尼格和后来的约阿希姆·克伦领导的团队发起了并行努力，以生产这些亚波长表面等离子体激元波导。在加州理工学院与我合作的斯特凡·迈尔构建了一个由金点线性链组成的结构，每个金点横跨小于 100 纳米。波长为 570 纳米的可见光束触发了这些金点中的共振振荡，产生沿着链移动的表面等离子体激元，局限于高度仅为 75 纳米的扁平路径。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的图案进行了成像。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。
幸运的是，可以通过将等离子体激元波导翻转过来，将电介质放在核心并用金属包围它来最大限度地减少吸收损耗[见第 59 页方框中的中间插图]。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。在空军科学研究办公室的支持下，我在加州理工学院的实验室和斯坦福大学的马克·布隆格斯马小组已经证明，等离子体激元槽波导能够传输远达数十微米的信号。日本国家材料科学研究所的宫崎秀树通过将红光（在自由空间中的波长为 651 纳米）挤压到厚度仅为 3 纳米、宽度为 55 纳米的等离子体激元槽波导中，取得了惊人的结果。研究人员发现，在器件中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）的信号。与自由空间值相比，波长可以缩小 10 倍以上，但信号的频率保持不变。（频率乘以波长等于光速之间的基本关系得以保留，因为电磁波沿着金属-电介质界面传播时速度会减慢。）这种显著的缩小波长的能力为纳米级等离子体激元结构开辟了道路，该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，类似的过程可以批量生产带有窄电介质条纹和间隙阵列的微型等离子体激元器件。这些阵列将引导金属表面上正负电荷的波；交替的电荷密度非常类似于沿普通导线传播的交流电。但由于光学信号的频率远高于电信号的频率（超过 400,000 千兆赫兹与 60 赫兹），等离子体激元电路将能够携带更多数据。此外，由于电荷并非从等离子体激元电路的一端移动到另一端，而是电子聚集在一起并分散开来，而不是向单一方向流动，因此该器件不受电阻和电容效应的影响，而这些效应会限制具有电气互连的集成电路的数据传输能力。
如果研究人员能够设计出等离子体激元开关（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会更快、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开关，这些器件可以作为超快速信号处理系统的核心，这一进步可能会在 10 到 20 年后彻底改变计算。
纳米壳和隐形斗篷
然而，等离子体激元器件的潜在用途远不止于计算。莱斯大学的娜奥米·哈拉斯（Naomi Halas）和彼得·诺德兰德（Peter Nordlander）开发了一种称为纳米壳的结构，该结构由一层薄薄的金组成，通常约为10纳米厚，沉积在约100纳米大小的二氧化硅颗粒的整个表面。暴露于电磁波会使金壳中产生电子振荡；由于壳内外表面场之间的耦合相互作用，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，研究人员可以设计纳米壳来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。
这种现象使纳米壳成为一种很有前景的癌症治疗工具。2004年，哈拉斯与她的莱斯大学同事珍妮弗·韦斯特（Jennifer West）合作，将等离子体激元纳米壳注入患有癌症肿瘤的小鼠血液中，发现这些颗粒是无毒的。更重要的是，纳米壳倾向于嵌入啮齿动物的癌变组织而不是健康组织中，因为更多的血液循环到快速生长的肿瘤。（纳米壳也可以附着在抗体上，以确保它们靶向癌症。）
幸运的是，人和动物的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照射穿过小鼠的皮肤并照射到肿瘤时，嵌入的纳米壳中能量的共振吸收将癌变组织的温度从大约37摄氏度升高到大约45摄氏度。
光热加热杀死了癌细胞，同时没有伤害周围的健康组织。在接受纳米壳治疗的小鼠中，所有癌症迹象在10天内消失了；在对照组中，肿瘤继续快速生长。总部位于休斯顿的纳米光谱生物科学公司（Nanospectra Biosciences）目前正在寻求美国食品和药物管理局的许可，以对患有头颈癌的患者进行纳米壳疗法的临床试验。
等离子体激元材料还可以通过使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-介电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，越来越明显的是，这种类型的场增强还可以显着提高量子点和量子阱的发射率——量子点和量子阱是吸收和发射光的微小半导体结构——从而提高固态LED的效率和亮度。2004年，我的加州理工学院同事阿克塞尔·谢勒（Axel Scherer）与日本日亚化学工业株式会社的同事一起证明，在氮化镓LED的表面涂上一层密集的等离子体激元纳米颗粒（由银、金或铝制成）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由硅制成的LED。这种设备比由氮化镓或砷化镓组成的传统LED便宜得多，但目前由于其低光发射率而受到阻碍。我在加州理工学院的研究小组与荷兰原子与分子物理研究所（FOM Institute for Atomic and Molecular Physics）的阿尔伯特·波尔曼（Albert Polman）领导的研究小组合作，表明将银或金等离子体激元纳米结构耦合到硅量子点阵列可以将它们的光发射提高约10倍。此外，可以通过调整纳米颗粒的尺寸来调节增强发射的频率。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距离，可以使辐射率提高100倍以上，从而使硅LED像传统设备一样明亮地发光。
科学家们甚至正在研究一种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（Mark Stockman）和特拉维夫大学的大卫·伯格曼（David Bergman）描述了这种设备的物理原理，他们称之为SPASER（表面等离子体激元受激辐射放大）。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，然后将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的局部性比传统的激光束更强，因此该设备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可以使光谱学更加灵敏，并为危险材料检测器铺平道路，该检测器可以识别微量的化学物质或病毒。
等离子体激元最令人着迷的潜在应用也许是隐形斗篷的发明。1897年，赫伯特·乔治·威尔斯（H. G. Wells）出版了《隐身人》，讲述了一位年轻科学家如何发现使自己身体的折射率与空气的折射率相等，从而使他隐形的道理。（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，这意味着它既不会弯曲也不会反射光。该结构会吸收光，但如果用产生光学增益的材料层压——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失。该结构将变得不可见，至少对选定频率范围内的辐射是不可见的。
然而，真正的隐形斗篷必须能够隐藏结构内的任何东西，并且适用于所有可见光频率。创造这样的设备将更加困难，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（John B. Pendry）和他的同事表明，超材料的壳理论上可以重新路由通过它的电磁波，使其绕过内部的球形区域[参见上方的框]。
尽管威尔斯的隐身人可能永远不会成为现实，但这些想法说明了激发等离子体激元领域研究人员的丰富的光学特性。通过研究电磁波和自由电子之间复杂的相互作用，研究人员已经确定了在我们的集成电路中传输数据、照亮我们的家园和抗击癌症的新可能性。进一步探索这些有趣的等离子体激元现象可能会产生更多令人兴奋的发现和发明。
作者
哈里·A·阿特沃特（HARRY A. ATWATER）是加州理工学院的霍华德·休斯教授，应用物理和材料科学教授。他的研究兴趣集中在用于计算、成像和可再生能源应用的亚波长尺度光子器件。除了设计等离子体激元纳米结构外，他的小组还在积极探索用于太阳能发电（光伏）以及太阳能驱动的化学燃料生产的新材料的用途。