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。這種巨大的容量使得一些研究人員預言，光子器件——用於引導和操控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；由於緊密間隔的光波之間存在干涉，攜帶這些光波的光纖的寬度必須至少是材料內部光波波長的一半。對於晶片上的光學訊號，它們很可能採用大約1500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透過微小的奈米級結構傳輸光學訊號的新技術。在 20 世紀 80 年代，研究人員透過實驗證實，在適當的情況下，將光波導向金屬和電介質（如空氣或玻璃等非導電材料）之間的介面，可以在波和金屬表面的移動電子之間產生共振相互作用。（在導電金屬中，電子並非牢固地附著在單個原子或分子上。）換句話說，金屬表面電子的振盪與金屬外部的電磁場振盪相匹配。其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，就像你把石頭扔進水塘後在水面上傳播的漣漪一樣。
關於支援科學新聞
如果您喜歡這篇文章，請考慮透過以下方式支援我們屢獲殊榮的新聞報道 訂閱。透過購買訂閱，您正在幫助確保關於塑造我們當今世界的發現和想法的具有影響力的故事的未來。
在過去的十年裡，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具有相同頻率但波長短得多的表面等離子體激元。這種現象可以使等離子體激元沿著稱為互連的奈米級導線傳播，將資訊從微處理器的一個部分傳遞到另一個部分。等離子體激元互連對於晶片設計人員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，但在構建能夠在晶片上快速移動資料的微型電子電路方面卻面臨困難。
2000 年，我在加州理工學院的小組將這個新興學科命名為等離子體激元學，感覺到該領域的研究可能會帶來一類全新的裝置。最終，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，設計可以使用等離子體激元共振吸收來殺死癌組織的微小顆粒。一些研究人員甚至推測，某些等離子體激元材料可能會在一定程度上改變物體周圍的電磁場，使其變得不可見。儘管並非所有這些潛在應用都被證明是可行的，但研究人員正在積極研究等離子體激元學，因為這個新領域有望真正揭示奈米世界的奧秘。
縮短波長
數千年來，鍊金術士和玻璃製造商在玻璃中加入微小的金屬顆粒來製作彩色玻璃窗和彩色酒杯時，無意中利用了等離子體激元效應。最著名的例子是利庫戈斯杯，這是一個可追溯到公元四世紀的羅馬酒杯，現藏於大英博物館[見第 62 頁的插圖]。由於懸浮在玻璃基質中的金屬顆粒中的電子的等離子體激元激發，酒杯會吸收和散射藍色和綠色光——可見光譜中相對較短的波長。在反射光下觀察時，等離子體激元散射使酒杯呈現綠色調，但如果將白色光源放置在酒杯內，玻璃會呈現紅色，因為它僅傳輸較長的波長並吸收較短的波長。
對錶面等離子體激元的研究於 20 世紀 80 年代開始認真進行，當時化學家使用拉曼光譜法研究這種現象，拉曼光譜法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，箔片傳輸的光比孔的數量和大小所預期的要多。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加強電磁能的傳輸。
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，在這些超材料中，電子振盪可以產生驚人的光學特性。兩類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地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，因為眾所周知，金屬的光學損耗很高。在電磁場中振盪的電子與周圍的原子晶格碰撞，迅速耗散場能。但是，在薄金屬膜和電介質之間的介面上，等離子體激元損耗低於金屬塊內部，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，在具有電介質和金屬層的夾層中，表面等離子體激元僅在介面的薄平面上傳播[見上一頁方框中的頂部插圖]。
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路由訊號時很有用。雖然光學訊號在金屬中的損耗比在玻璃等電介質中的損耗要大，但等離子體激元可以在薄膜金屬波導中傳播數釐米，然後才會消失。如果波導採用不對稱模式，則可以最大限度地延長傳播長度，這將使大部分電磁能量遠離引導金屬膜並進入周圍的電介質，從而降低損耗。由於金屬膜頂面和底面的電磁場相互作用，因此可以透過改變薄膜的厚度來調整等離子體激元的頻率和波長。在 20 世紀 90 年代末，由丹麥奧爾堡大學的謝爾蓋·博熱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工作在 1500 奈米電信波長下的平面等離子體激元元件，它們可以執行通常由全電介質器件完成的許多相同功能，例如分裂導波。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傳遞訊號。
為了產生能夠透過奈米級導線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，這種幾何形狀可以透過將訊號擠壓到狹窄的空間中來縮小訊號的波長。在 20 世紀 90 年代末，我的實驗室小組和由奧地利格拉茨大學的弗朗茨·奧森尼格和後來的約阿希姆·克倫領導的團隊發起了並行努力，以生產這些亞波長表面等離子體激元波導。在加州理工學院與我合作的斯特凡·邁爾構建了一個由金點線性鏈組成的結構，每個金點橫跨小於 100 奈米。波長為 570 奈米的可見光束觸發了這些金點中的共振振盪，產生沿著鏈移動的表面等離子體激元，侷限於高度僅為 75 奈米的扁平路徑。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的圖案進行了成像。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。
幸運的是，可以透過將等離子體激元波導翻轉過來，將電介質放在核心並用金屬包圍它來最大限度地減少吸收損耗[見第 59 頁方框中的中間插圖]。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。在空軍科學研究辦公室的支援下，我在加州理工學院的實驗室和斯坦福大學的馬克·布隆格斯馬小組已經證明，等離子體激元槽波導能夠傳輸遠達數十微米的訊號。日本國家材料科學研究所的宮崎秀樹透過將紅光（在自由空間中的波長為 651 奈米）擠壓到厚度僅為 3 奈米、寬度為 55 奈米的等離子體激元槽波導中，取得了驚人的結果。研究人員發現，在器件中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）的訊號。與自由空間值相比，波長可以縮小 10 倍以上，但訊號的頻率保持不變。（頻率乘以波長等於光速之間的基本關係得以保留，因為電磁波沿著金屬-電介質介面傳播時速度會減慢。）這種顯著的縮小波長的能力為奈米級等離子體激元結構開闢了道路，該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，類似的過程可以批次生產帶有窄電介質條紋和間隙陣列的微型等離子體激元器件。這些陣列將引導金屬表面上正負電荷的波；交替的電荷密度非常類似於沿普通導線傳播的交流電。但由於光學訊號的頻率遠高於電訊號的頻率（超過 400,000 千兆赫茲與 60 赫茲），等離子體激元電路將能夠攜帶更多資料。此外，由於電荷並非從等離子體激元電路的一端移動到另一端，而是電子聚集在一起並分散開來，而不是向單一方向流動，因此該器件不受電阻和電容效應的影響，而這些效應會限制具有電氣互連的積體電路的資料傳輸能力。
如果研究人員能夠設計出等離子體激元開關（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會更快、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開關，這些器件可以作為超快速訊號處理系統的核心，這一進步可能會在 10 到 20 年後徹底改變計算。
奈米殼和隱形斗篷
然而，等離子體激元器件的潛在用途遠不止於計算。萊斯大學的娜奧米·哈拉斯（Naomi Halas）和彼得·諾德蘭德（Peter Nordlander）開發了一種稱為奈米殼的結構，該結構由一層薄薄的金組成，通常約為10奈米厚，沉積在約100奈米大小的二氧化矽顆粒的整個表面。暴露於電磁波會使金殼中產生電子振盪；由於殼內外表面場之間的耦合相互作用，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，研究人員可以設計奈米殼來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。
這種現象使奈米殼成為一種很有前景的癌症治療工具。2004年，哈拉斯與她的萊斯大學同事珍妮弗·韋斯特（Jennifer West）合作，將等離子體激元奈米殼注入患有癌症腫瘤的小鼠血液中，發現這些顆粒是無毒的。更重要的是，奈米殼傾向於嵌入齧齒動物的癌變組織而不是健康組織中，因為更多的血液迴圈到快速生長的腫瘤。（奈米殼也可以附著在抗體上，以確保它們靶向癌症。）
幸運的是，人和動物的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照射穿過小鼠的皮膚並照射到腫瘤時，嵌入的奈米殼中能量的共振吸收將癌變組織的溫度從大約37攝氏度升高到大約45攝氏度。
光熱加熱殺死了癌細胞，同時沒有傷害周圍的健康組織。在接受奈米殼治療的小鼠中，所有癌症跡象在10天內消失了；在對照組中，腫瘤繼續快速生長。總部位於休斯頓的奈米光譜生物科學公司（Nanospectra Biosciences）目前正在尋求美國食品和藥物管理局的許可，以對患有頭頸癌的患者進行奈米殼療法的臨床試驗。
等離子體激元材料還可以透過使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-介電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，越來越明顯的是，這種型別的場增強還可以顯著提高量子點和量子阱的發射率——量子點和量子阱是吸收和發射光的微小半導體結構——從而提高固態LED的效率和亮度。2004年，我的加州理工學院同事阿克塞爾·謝勒（Axel Scherer）與日本日亞化學工業株式會社的同事一起證明，在氮化鎵LED的表面塗上一層密集的等離子體激元奈米顆粒（由銀、金或鋁製成）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由矽製成的LED。這種裝置比由氮化鎵或砷化鎵組成的傳統LED便宜得多，但目前由於其低光發射率而受到阻礙。我在加州理工學院的研究小組與荷蘭原子與分子物理研究所（FOM Institute for Atomic and Molecular Physics）的阿爾伯特·波爾曼（Albert Polman）領導的研究小組合作，表明將銀或金等離子體激元奈米結構耦合到矽量子點陣列可以將它們的光發射提高約10倍。此外，可以透過調整奈米顆粒的尺寸來調節增強發射的頻率。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距離，可以使輻射率提高100倍以上，從而使矽LED像傳統裝置一樣明亮地發光。
科學家們甚至正在研究一種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（Mark Stockman）和特拉維夫大學的大衛·伯格曼（David Bergman）描述了這種裝置的物理原理，他們稱之為SPASER（表面等離子體激元受激輻射放大）。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，然後將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的區域性性比傳統的雷射束更強，因此該裝置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可以使光譜學更加靈敏，併為危險材料檢測器鋪平道路，該檢測器可以識別微量的化學物質或病毒。
等離子體激元最令人著迷的潛在應用也許是隱形斗篷的發明。1897年，赫伯特·喬治·威爾斯（H. G. Wells）出版了《隱身人》，講述了一位年輕科學家如何發現使自己身體的折射率與空氣的折射率相等，從而使他隱形的道理。（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，這意味著它既不會彎曲也不會反射光。該結構會吸收光，但如果用產生光學增益的材料層壓——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失。該結構將變得不可見，至少對選定頻率範圍內的輻射是不可見的。
然而，真正的隱形斗篷必須能夠隱藏結構內的任何東西，並且適用於所有可見光頻率。創造這樣的裝置將更加困難，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（John B. Pendry）和他的同事表明，超材料的殼理論上可以重新路由透過它的電磁波，使其繞過內部的球形區域[參見上方的框]。
儘管威爾斯的隱身人可能永遠不會成為現實，但這些想法說明了激發等離子體激元領域研究人員的豐富的光學特性。透過研究電磁波和自由電子之間複雜的相互作用，研究人員已經確定了在我們的積體電路中傳輸資料、照亮我們的家園和抗擊癌症的新可能性。進一步探索這些有趣的等離子體激元現象可能會產生更多令人興奮的發現和發明。
作者
哈里·A·阿特沃特（HARRY A. ATWATER）是加州理工學院的霍華德·休斯教授，應用物理和材料科學教授。他的研究興趣集中在用於計算、成像和可再生能源應用的亞波長尺度光子器件。除了設計等離子體激元奈米結構外，他的小組還在積極探索用於太陽能發電（光伏）以及太陽能驅動的化學燃料生產的新材料的用途。