【科学综述】量子等离激元管中窥豹
量子等离激元管中窥豹
作者 | 王冬利、曾长淦
单位 | 中国科学技术大学
摘要
等离激元是金属中自由电子的集体振荡，其在物理，生物、化学、能源、信息等领域具有重要的应用前景。近些年来对等离激元量子效应研究的深入开展使得等离激元研究迈入了新阶段。本文首先简要介绍了等离激元的两个基本特性：光压缩效应和局域电场增强效应；随后回顾了量子等离激元方面的最新的进展，包括量子纠缠效应，量子尺寸效应，量子遂穿效应，等离激元在台阶势垒处的反射与激发，等离激元对电子相干效应的增强；最后对量子等离激元研究进行了总结和展望。
1、引言
在经典电磁学理论框架下等离激元可以认为是固体材料中自由电子的集体振荡,是一种传播的电子疏密波。通过求解麦克斯韦方程组，并结合相应的边界条件，可以获得等离激元的场分布和色散关系。另外，利用自由电子的德鲁德模型，通过求解自由电子在外场下的运动方程，也可以得到等离激元的色散关系和电荷的极化分布。在大多数情况下，经典的电磁学理论可以很好的描述实验现象，如等离激元的光压缩效应，电场增强效应，奇异的光吸收特性等等。等离激元在固体材料中的波长较短，常常低于衍射极限，可以将光压缩至光波长的万分之一[1]，而高的光压缩比将对应着电场强度的极大增强。等离激元对光的这种极端的压缩特性使它成为一种可以在纳米尺度上操控光的有效手段，为其应用提供了广阔的空间。例如利用电场在金属颗粒的增强效应，可以实现表面增强拉曼[２]；构造不同的金属结构，通过光与等离激元的耦合，可以实现操控光吸收和传播的金属超材料[3-6]；通过等离激元对光的强吸收实现光能量的聚焦，从而应用于高效率的太阳能电池和癌细胞的治疗等等[７]。
与固体中晶格的集体振荡被量子化为声子类似，等离激元作为金属中电子的集体振荡，也可以被量子化。实际上，等离激元最初的量子理论由Bohm和Pines在1953年就已经建立起来了[8,9]。在他们提出的简化模型中，金属中的自由电子通过长程的库伦相互作用关联。基于量子理论，他们证明了金属中电子集体振荡的能量是量子化的，对应的能量量子为ћωp，称为等离激元。在随后的实验研究中，人们测试了高能电子穿过Mg，Al等金属薄膜后的能量损失谱，发现电子能量的损失为ћωp的整数倍，从而验证了等离激元的存在及其量子化的能级[10]。随后，Hopfield利用量子力学语言描述光与物质相互作用时，提出了一种新的准粒子——极化子[11]。根据光与物质相互作用形式的不同，极化子分为不同 的类型，包括声子G极化子，等离激元G极化子等。Ritchie等人提出了表面等离激元的概念，描述的是在光的照射下，金属自由电子局域在其表面的振荡形成了准粒子即表面等离激元G极化子[12]。随后，Elson和Ritchie在Hopfield的理论基础上，提出了对于表面等离激元的量子化描述[13]。随着对等离激元的研究的逐渐深入，研究人员发现基于自由电子 理论无法解释等离激元中的耗散问题。随后研究人员发展了一种基于多体理论的微观理论[14]，有效地解释了离激元激发时由于电子的带内和带间跃迁带来的损耗。 随着近些年来对等离激元研究的深入，越来越多的量子效应被揭示[15]。一方面，研究人员揭示了单电子的量子效应（比如量子遂穿,量子尺寸效应等）对等离激元性质的影响；另一方面也初步揭示了等离激元作为固体中准粒子自身的量子行为，如量子纠缠,量子相干性。从理论上讲，研究量子等离激元可以增进我们对等离激元的认识，完善现有的理论。从实际应用来讲，在量子范畴调控等离激元和光的相互作用将会对构造基于量子等离激元的光信息器件、光子回路等具有重大的意义。本文将介绍近几 年来国内外在量子等离激元方面的一些最新进展，并对量子等离激元的发展和应用前景进行展望。
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