光是傳輸資訊的絕佳媒介。
光纖現在遍佈全球，引導光訊號傳輸大量的語音通訊和海量資料。這種巨大的容量使一些研究人員預言，光子器件——可以引導和操縱可見光和其他電磁波——有朝一日可能會取代微處理器和其他計算機晶片中的電子電路。不幸的是，光子器件的尺寸和效能受到衍射極限的限制；由於間距緊密的光波之間存在干涉，承載它們的光纖寬度必須至少是光在介質內部波長的一半。對於基於晶片的光訊號，最有可能採用約 1,500 奈米（十億分之一米）的近紅外波長，最小寬度遠大於目前使用的最小電子器件；例如，矽積體電路中的一些電晶體的特徵尺寸小於 100 奈米。
然而，最近，科學家們一直在研究一種新技術，用於透過微小的奈米級結構傳輸光訊號。在 20 世紀 80 年代，研究人員透過實驗證實，在適當的條件下，將光波 направлять 到金屬和電介質（如空氣或玻璃等非導電材料）之間的介面，可以引發波與金屬表面移動電子之間的共振相互作用。（在導電金屬中，電子並沒有牢固地附著在單個原子或分子上。）換句話說，金屬表面的電子振盪與金屬外部的電磁場振盪相匹配。結果是產生表面等離子體激元——電子的密度波，它沿著介面傳播，就像你向池塘中扔一塊石頭後在水面上傳播的漣漪一樣。
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在過去的十年中，研究人員發現，透過創造性地設計金屬-電介質介面，他們可以產生與外部電磁波頻率相同但波長短得多的表面等離子體激元。這種現象可能使等離子體激元能夠沿著稱為互連線的奈米級導線傳播，從而將資訊從微處理器的一個部分傳輸到另一個部分。等離子體激元互連線對於晶片設計師來說將是一個巨大的福音，他們已經能夠開發出越來越小、速度越來越快的電晶體，但在構建能夠快速跨晶片移動資料的微型電子電路方面卻遇到了困難。
2000 年，我在加州理工學院的研究小組將這個新興學科命名為“等離子體激元學”，預感到該領域的研究可能會催生一類全新的器件。最終，可能可以在各種儀器中使用等離子體激元元件，利用它們來提高顯微鏡的解析度、發光二極體 (LED) 的效率以及化學和生物探測器的靈敏度。科學家們還在考慮醫療應用，例如，設計微小的粒子，這些粒子可以利用等離子體共振吸收來殺死癌組織。一些研究人員甚至推測，某些等離子體激元材料可能會在很大程度上改變物體周圍的電磁場，以至於它會變得隱形。儘管並非所有這些潛在應用都可能被證實是可行的，但研究人員正在熱切地研究等離子體激元學，因為這個新領域有望真正照亮奈米世界的奧秘。
波長縮短
千百年來，鍊金術士和玻璃製造者在製作彩色玻璃窗和彩色高腳杯時，在不知不覺中利用了等離子體激元效應，這些彩色玻璃窗和彩色高腳杯在玻璃中融入了微小的金屬顆粒。最著名的例子是萊克格斯杯，這是一個公元四世紀的羅馬高腳杯，現藏於大英博物館。由於玻璃基質中懸浮的金屬顆粒中的電子的等離子體激元激發，杯子吸收和散射藍光和綠光——可見光譜中相對較短的波長。當在反射光下觀察時，等離子體激元散射使杯子呈現綠色色調，但是如果在高腳杯內放置一個白光源，玻璃會呈現紅色，因為它只透射較長的波長並吸收較短的波長。[中斷]
對錶面等離子體激元的研究始於 20 世紀 80 年代，當時化學家使用拉曼光譜學研究這種現象，拉曼光譜學涉及觀察雷射從樣品上的散射，以從分子振動中確定其結構。1989 年，當時在日本 NEC 研究所的托馬斯·埃貝森發現，當他用光照射印有數百萬個微孔的薄金膜時，箔片透射的光量比根據孔的數量和尺寸預期的要多。九年後，埃貝森和他的同事得出結論，薄膜上的表面等離子體激元正在增強電磁能量的傳輸。
隨著新型“超材料”的發現，等離子體激元學領域獲得了又一次推動，在超材料中，電子振盪可以產生驚人的光學特性[參見約翰·B·彭德里和大衛·R·史密斯的“超透鏡的探索”；《大眾科學》，2006 年 7 月]。兩種新的工具也加速了等離子體激元學的進展：計算能力的最新提高使研究人員能夠準確模擬等離子體激元效應產生的複雜電磁場，而構建奈米級結構的新方法使構建和測試超小型等離子體激元器件和電路成為可能。
乍一看，使用金屬結構傳輸光訊號似乎不切實際，因為金屬以光學損耗高而聞名。在電磁場中振盪的電子與周圍的原子晶格碰撞，迅速耗散場的能量。但是，與金屬本體內部相比，在薄金屬膜和電介質之間的介面處，等離子體激元的損耗較低，因為場會擴散到非導電材料中，那裡沒有自由電子振盪，因此也沒有耗散能量的碰撞。這種特性自然地將等離子體激元限制在與電介質相鄰的金屬表面；例如，在具有電介質層和金屬層的夾層結構中，表面等離子體激元僅在介面處的薄平面中傳播。
由於這些平面等離子體激元結構充當波導，引導電磁波沿著金屬-電介質邊界傳播，因此它們可能在晶片上的訊號路由中很有用。儘管光學訊號在金屬中的損耗比在玻璃等電介質中更大，但等離子體激元可以在薄膜金屬波導中傳播幾釐米，然後才會消失。如果波導採用非對稱模式，則可以最大化傳播長度，非對稱模式會將大部分電磁能量從引導金屬膜推向周圍的電介質，從而降低損耗。由於金屬膜頂面和底面的電磁場相互作用，因此可以透過改變膜的厚度來調整等離子體激元的頻率和波長。在 20 世紀 90 年代，由丹麥奧爾堡大學的謝爾蓋·博澤沃尼和渥太華大學的皮埃爾·貝里尼領導的研究小組開發了平面等離子體激元元件，這些元件可以執行許多與全電介質器件通常執行的相同功能——例如，分裂引導波。這些結構可能在將資料從晶片的一個部分傳輸到另一個部分時很有用，但是伴隨等離子體激元的電磁場太大，無法透過處理器的奈米級內部結構傳輸訊號。
等離子體激元的傳播就像你向池塘中扔一塊石頭後在水面上傳播的漣漪一樣。
為了產生可以在奈米級導線中傳播的等離子體激元，研究人員探索了更復雜的波導幾何形狀，這些形狀可以透過將訊號壓縮到狹窄的空間中來縮小訊號的波長。在 20 世紀 90 年代後期，我的實驗室小組和奧地利格拉茨大學的約阿希姆·克倫領導的團隊並行啟動了生產這些“亞波長”表面等離子體激元波導的工作。在加州理工學院與我合作的斯特凡·邁爾構建了一個由線性金點鏈組成的結構，每個金點的直徑都小於 100 奈米。波長為 570 奈米的可見光束觸發了金點中的共振振盪，產生了沿著鏈移動的表面等離子體激元，這些等離子體激元被限制在僅 75 奈米高的扁平路徑中。格拉茨小組取得了類似的結果，並對沿著鏈攜帶的等離子體激元圖案進行了成像。然而，這些奈米線的吸收損耗相對較高，導致訊號在傳播幾百奈米到幾微米（百萬分之一米）後消失。因此，這些波導僅適用於非常短距離的互連。[中斷]
幸運的是，可以透過將等離子體激元波導翻轉過來，將電介質放在核心位置並用金屬包圍它來最大限度地減少吸收損耗。在這種稱為等離子體激元槽波導的器件中，調整電介質核心的厚度會改變等離子體激元的波長。我在加州理工學院的實驗室和馬克·布朗格斯瑪的斯坦福大學小組已經證明，等離子體激元槽波導能夠傳輸遠達數十微米的訊號。日本國立材料科學研究所的宮崎英樹透過將紅光（在自由空間中的波長為 651 奈米）壓縮到厚度僅為 3 奈米、寬度為 55 奈米的等離子體激元槽波導中，獲得了驚人的結果。研究人員發現，透過器件傳播的表面等離子體激元的波長為 51 奈米，約為自由空間波長的 8%。
因此，等離子體激元學可以透過用可見光激發材料來產生波長在軟 X 射線範圍（10 到 100 奈米之間）內的訊號。波長可以相對於其自由空間值減小 10 倍以上，但訊號的頻率保持不變。（頻率乘以波長等於光速的基本關係得以保留，因為電磁波在沿著金屬-電介質介面傳播時速度會減慢。）這種顯著縮小波長的能力為奈米級等離子體激元結構開闢了道路，這些結構可以取代包含導線和電晶體的純電子電路。
正如現在使用光刻技術在矽晶片上印製電路圖案一樣，類似的工藝可以大規模生產微小的等離子體激元器件，這些器件具有狹窄的電介質條紋和間隙陣列。這些陣列將引導金屬表面上正電荷和負電荷的波；交替的電荷密度將非常類似於沿著普通導線傳播的交流電。但是，由於光學訊號的頻率比電訊號的頻率高得多——超過 400,000 吉赫茲，而電訊號的頻率為 60 赫茲——等離子體激元電路將能夠攜帶更多資料。此外，由於電荷不會從等離子體激元電路的一端傳輸到另一端——電子聚在一起並分散開來，而不是沿單一方向流動——因此該器件不受電阻和電容效應的影響，而電阻和電容效應限制了具有電子互連線的積體電路的資料承載能力。
如果研究人員能夠設計出“等離子體激元電晶體”開關——一種具有類似電晶體特性的三端等離子體激元器件，等離子體激元電路將更快、更有用。我在加州理工學院的實驗室和其他研究小組最近開發了這種開關的低功耗版本。如果科學家能夠生產出效能更好的等離子體激元電晶體，這些器件可能會成為超高速訊號處理系統的核心，這項進步可能會在未來 10 到 20 年內徹底改變計算技術。
奈米外殼和隱形斗篷
等離子體激元器件的潛在用途遠遠超出計算領域。萊斯大學的內奧米·哈拉斯和彼得·諾德蘭德開發了一種稱為奈米外殼的結構，該結構由一層薄薄的金層（通常約 10 奈米厚）沉積在直徑約 100 奈米的二氧化矽顆粒的整個表面周圍組成。暴露於電磁波會產生金殼中的電子振盪；由於殼的內表面和外表面上的場之間存在耦合相互作用，因此改變顆粒的大小和金層的厚度會改變顆粒共振吸收能量的波長。透過這種方式，研究人員可以將奈米外殼設計為選擇性地吸收短至幾百奈米（可見光譜的藍色端）或長至近 10 微米（近紅外）的波長。
這種現象已使奈米外殼成為一種有前途的癌症治療工具。2004 年，哈拉斯與她在萊斯的同事詹妮弗·韋斯特合作，將等離子體激元奈米外殼注入患有癌性腫瘤的小鼠的血液中，發現這些顆粒是無毒的。更重要的是，奈米外殼傾向於嵌入齧齒動物的癌組織而不是健康組織中，因為流向快速生長的腫瘤的血液更多。（奈米外殼也可以附著在抗體上，以確保它們靶向癌症。）[中斷]
幸運的是，人體和動物組織在某些紅外波長下是透明的。當研究人員將近紅外雷射透過小鼠的皮膚 направлять 到腫瘤時，嵌入的奈米外殼中的能量共振吸收將癌組織的溫度從約 37 攝氏度提高到約 45 攝氏度。
光熱加熱殺死了癌細胞，同時使周圍的健康組織毫髮無損。在接受奈米外殼治療的小鼠中，所有癌症跡象都在 10 天內消失了；在對照組中，腫瘤繼續快速生長。總部位於休斯頓的 Nanospectra Biosciences 公司目前正在向食品和藥物管理局申請批准，以對頭頸癌患者進行奈米外殼療法的臨床試驗。
等離子體激元材料也可能透過使 LED 足夠亮以與白熾燈競爭來徹底改變照明行業。從 20 世紀 80 年代開始，研究人員認識到金屬-電介質邊界處電場的等離子體激元增強可以提高放置在金屬表面附近的熒光染料的發射率。最近，人們越來越清楚地認識到，這種型別的場增強還可以顯著提高量子點和量子阱（吸收和發射光的小型半導體結構）的發射率，從而提高固態 LED 的效率和亮度。2004 年，我在加州理工學院的同事阿克塞爾·舍勒與日本日亞化學工業株式會社的同事一起證明，用等離子體激元奈米顆粒（由銀、金或鋁製成）的密集陣列塗覆氮化鎵 LED 的表面可以將發射光的強度提高 14 倍。
此外，等離子體激元奈米顆粒可能使研究人員能夠開發出由矽製成的 LED。與傳統的由氮化鎵或砷化鎵組成的 LED 相比，這種器件會便宜得多，但目前因其發光率低而受到阻礙。我在加州理工學院的研究小組與由荷蘭 FOM 原子與分子物理研究所的阿爾伯特·波爾曼領導的團隊合作，已經證明將銀或金等離子體激元奈米結構與矽量子點陣列耦合可以將其發光量提高約 10 倍。此外，可以透過調整奈米顆粒的尺寸來調整增強發射的頻率。我們的計算表明，仔細調整等離子體激元共振頻率並精確控制金屬顆粒和半導體材料之間的分離可以使我們能夠將輻射率提高 100 倍以上，從而使矽 LED 像傳統器件一樣明亮地發光。
科學家們甚至正在研究等離子體激元雷射器的類似物。佐治亞州立大學的馬克·斯托克曼和特拉維夫大學的大衛·伯格曼描述了這種器件的物理原理，他們稱之為 SPASER（表面等離子體激元受激輻射放大的英文縮寫）。儘管 SPASER 目前僅存在於理論中，但研究人員已經提出了使用半導體量子點和金屬顆粒製造它的途徑。來自量子點的輻射能量將轉化為等離子體激元，然後在等離子體激元諧振器中放大。由於 SPASER 產生的等離子體激元比傳統的雷射束更緊密地定位，因此該器件可以在非常低的功率下執行，並選擇性地激發非常小的物體。因此，SPASER 可以使光譜學更靈敏，併為危險材料探測器鋪平道路，該探測器可以識別微量的化學物質或病毒。
也許等離子體激元學最令人著迷的潛在應用將是隱形斗篷的發明。1897 年，H. G. 威爾斯出版了《隱形人》，這是一個關於一位年輕科學家發現如何使自己身體的折射率等於空氣折射率的故事，從而使他隱形。（材料的折射率是真空中光速與材料中光速之比。）用接近結構共振頻率的輻射激發等離子體激元結構可以使其折射率等於空氣的折射率，這意味著它既不會彎曲也不會反射光。該結構會吸收光，但如果它與產生光學增益的材料層壓在一起——就像 SPASER 中的諧振器一樣放大傳輸訊號——強度的增加將抵消吸收損耗。該結構將變得隱形，至少對於選定頻率範圍內的輻射而言。[中斷]
然而，真正的隱形斗篷必須能夠隱藏結構內的任何東西，並且適用於所有頻率的可見光。製造這種器件將更加困難，但一些物理學家表示這是可能的。2006 年，倫敦帝國學院的約翰·B·彭德里和他的同事表明，理論上，超材料外殼可以重新路由透過它的電磁波，將它們繞過內部的球形區域。
儘管威爾斯的隱形人可能永遠不會成為現實，但這些想法說明了豐富的光學特性，這些特性啟發了等離子體激元學領域的研究人員。透過研究電磁波和自由電子之間錯綜複雜的相互作用，研究人員已經為在我們的積體電路中傳輸資料、照亮我們的房屋和對抗癌症找到了新的可能性。進一步探索這些有趣的等離子體激元現象可能會產生更令人興奮的發現和發明。