《物理评论快报》（Physical Review Letters）5月23日在线刊发了红宝石国际平台地址和量子科学与工程研究院陈学文教授团队题为《纳米电子库介导的电光直接调制》的论文("Direct ElectroPlasmonic andOpticModulation via aNanoscopicElectronReservoir"，Phys. Rev. Lett.128, 217401 (2022))。我校为论文唯一单位，红宝石国际平台地址博士研究生李莞聪、周强为论文共同第一作者，陈学文教授和张朴副教授为论文共同通讯作者。论文引入了电场直接调制金属结构光学响应的思想，提出了构建电光调制器的新方案，理论上该调制器具备超快调制速度（~10-20 飞秒）和超低能耗（< 100 阿焦/比特）等重要特性。这项成果为实现超快、超低能耗电光调制提供了一种全新的思路，同时也生动地说明：量子等离激元效应不仅仅只是作为经典局域电磁理论预测的修正，而更重要的是它本身可孕育颠覆性的应用技术。
金属纳米结构支撑表面等离激元，可以打破传统光学的衍射极限从而允许高密度集成，同时金属导体具备优良的电学功能，因此可基于CMOS工艺将纳米尺度的光学功能器件与微电子器件复合集成在同一芯片。金属结构的光电复合微纳集成，引导人们提出这样的问题：能否实现电学直接调制金属微纳结构的光学响应？直接电学调制金属结构光学响应具有诱人的前景，包括可望实现具有超快响应和极小尺寸的电光调制器。然而，这种美好愿景却面临着原理上的巨大挑战。由于金属导体拥有极高的自由电子密度，三维结构包含数量庞大的自由电子——电子海洋，使得电学调控导致的表面效应根本无法撼动"电子海洋"的光学响应。
图1：三维金属等离激元和光场的直接电调制原理示意图
为了解决直接电学调制金属等离激元光学响应的难题，陈学文教授团队创造性地提出了“纳米电子库”（nanoscopicelectronreservoir,NER）的概念，用于对三维金属结构等离激元和光学性质进行有效的直接电调制。工作原理如图1所示，图1(a)中主体是一个金属纳米二聚体，尺寸为百纳米量级，因此构成一个光学天线，用于增强光学远场响应。在天线上面部分的底端存在几到十几纳米尺度的精细结构，即所述电调制机制的核心部分——“纳米电子库”NER，它可以支持高度局域的等离激元本征模式，典型的模场分布如图1(b)所示。在模场如此局域的NER中，自由电子将表现出显著的非经典效应，包括非局域性、电子溢出和朗道阻尼等。这些效应通常被认为有损于等离激元器件的性能。但是，与主流认知相反，在这项工作中，这些非经典效应构成了超快、高能量效率等离激元直接电调制的底层物理机制。等离激元模式的性质（如本征频率）主要取决于模场集中区域的自由电子密度分布，而电子密度分布可以通过施加静电场、低频（与光学频率相比）电场或偏置电压予以控制。NER就像在光学天线金属结构的“电子海洋”;边上筑起的“纳米尺度电子小水库”，只需施加较小的扰动就足以对“小水库”造成显著影响。如图1(c)所示，在外加电信号作用下NER的基态电子密度分布确实发生了显著改变，并且空间上与等离激元模场分布高度重合。经过基于时域密度泛函理论、量子流体力学模型、准正规模理论等方法的精确计算和设计，陈学文教授团队优化材料组合和几何结构，提出了一种电光直接调制装置，针对950纳米波长的远场入射光，在±2伏偏置电压作用下，散射截面的相对改变量可达到150%。提出的电光调制方案具有几个重要特性：(1)超快的调制速度，大约10~20飞秒； (2)超低能耗。根据简单估算，单次调制操作的能耗低于100阿焦；（3）具有普适性。适用于多种金属/介质材料组合以及不同几何形状的天线和NER结构，能够覆盖从可见光至近红外的波长范围。
这项研究工作是陈学文教授团队近年来在纳米光学前沿领域的又一项重要阶段性研究成果。此前，陈学文教授团队针对光物理的基本问题：光场到底可被压缩到多小的空间范围内？等光场局域相关现象展开了研究。团队发现了一种新的光场局域机制，以《Bright Optical Eigenmode of 1 nm3Mode Volume》为题发表于《物理评论快报》(Phys. Rev.Lett.126,257401(2021))，指出在可见光波段存在一类低至1立方纳米体积的本征光场模式，成果并且指出基于光学天线效应该类模式可高效率地被远场光所激发。另外，陈学文教授团队在极端局域光场的理论描述方面也为领域做出了重要的贡献，创造性地提出广义洛伦兹模型，针对具有复杂非局域效应的非厄米系统，建立了一整套适用于极端纳米光学的完备的、通用的准正规模理论，填补了在该方面准正规模理论的空白，成果也发表于《物理评论快报》Phys. Rev. Lett.127, 267401 (2021)。
本项研究工作得到了国家自然科学基金(9215011,11874166)的资助。
论文链接:https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.128.217401
