纳米尺度揭示等离激元耦合及能量传输
【日本北海道大学Hiroaki Misawa教授研究团队】


      金属表面的自由电子与入射光场耦合形成表面等离激元共振(surface plasmon resonance,SPR),产生独特的电磁场增强和光场局域效应。由于其可以突破光学衍射极限,表面等离共振在纳米光子学和信息处理领域具有诸多潜在的应用价值,例如等离激元纳米天线、等离激元波导和等离激元光电探测器等。由于其具有亚波长纳米尺度局域化的特性,等离激元现象无法通过传统的光学显微技术来表征。然而,唯有在纳米尺度精确地理解表面等离激元的性质,才能更好地指导纳米光子学器件的设计。光电子显微镜(photoemission electron microscopy,PEEM)很好地满足了上述需求,其利用光场激发下样品表面逸出的光电子进行成像,具有纳米尺度的分辨率。
      北海道大学的三泽弘明(Hiroaki Misawa)教授团队的孙泉博士等人近年来专注于利用PEEM表征表面等离激元性质的研究。他们开发出一套超快PEEM装置,不仅可以用来表征表面等离激元的近场分布、近场光谱,还可以直接测量等离激元的退相干时间。

      最近该团队运用其自主研发的超快PEEM装置系统地研究了一维金纳米粒子链中表面等离激元耦合特性,获得了分辨率10纳米左右的等离激元近场分布图像。通过改变激发光波长,可以进一步获得等离激元耦合后的近场光谱,揭示了耦合产生的能级劈裂以及对应的近场模式分布,与前人基于远场表征技术得到的结果相符,直接从近场的角度验证了该结构中的等离激元耦合为近场相互作用引起的。


金纳米链的PEEM图像及等离激元能量传输

      借助PEEM独特的纳米尺度近场成像功能,还观测到了斜入射大视野照明下近场耦合产生的金纳米链中能量的单向传输。这项工作对于理解纳米尺度等离激元模式的耦合行为,指导等离激元波导的设计具有重要的价值。本文所使用的超快PEEM技术对于更广泛的纳米光子学现象的理解以及器件设计也具有重要的意义。

研究团队简介
日本北海道大学电子科学研究所三泽弘明(Hiroaki Misawa)教授团队主要从事基于表面等离激元的光电转换、人工光合成的机理和应用研究以及基于飞秒激光、电子束曝光等技术的微纳加工研究。该团队在Nature, Nature Nanotechnology, Nature Communications, Chemical Reviews, ACS Nano等重要期刊上发表论文300余篇,引用超过17000次。三泽弘明教授2013-2014年任日本光化学协会会长,近年获日本文部科学大臣(科学技术)奖(2015年)、日本化学学会学会奖(2016年),目前正主持日本特别推进重大研究项目,他同时还是台湾交通大学的讲席教授。本文的第一作者及共同通讯作者孙泉博士为该团队助理教授,主要致力于用PEEM研究表面等离激元的近场和超快动力学性质,他也是北京大学龚旗煌院士主持的国家重大科研仪器研制项目(部门推荐)“飞秒-纳米时空分辨光学实验系统”的海外合作者和吉林大学“长白山学者”讲座教授。


相关论文
Sun Q, Yu H, Ueno K, Zu S, Matsuo Y et al. Revealing the plasmon coupling in gold nanochains directly from the near field. Opto-Electron Adv 2, 180030 (2019).
DOI:10.29026/oea.2019.180030