超高Q因子的等离激元超表面

图1 含有矩形金纳米结构的超表面产生等离激元表面晶格共振的示意图（Yaryna Mamchur供图）

近年来对等离子体和超表面的研究，推动着纳米光学领域取得了一系列振奋人心的进展。然而，在将研究成果转化为生物传感器、光谱学应用以及纳米激光等实际应用的过程中，仍然存在着一些阻碍。金属材料本身的大欧姆损耗，限制了品质因子（Q因子）的大小。

在一项最新研究中，研究人员们将一种特殊的等离激元超表面的Q因子提高到了近2400，比此前报道的数值高10倍多（文章见：Nat. Commun., doi: 10.1038/s41467-021-21196-2）。此项研究将颠覆一个固有观点：即金属等离激元纳米结构的损耗过大，故而无法用于实际应用中。

集体响应

美国光学学会early-career成员Orad Reshef及其同事此前制造了一种具有周期性纳米颗粒阵列的超表面材料，可产生表面晶格共振（surface lattice resonances, SLRs）。基于SLR的超表面比传统超表面的Q因子高得多，因为传统超表面基于单个纳米结构的局域表面等离激元共振（localized surface plasmon resonances, LSPRs)），而SLR超表面则表现出纳米颗粒阵列的集体响应。

“其实，我们只是单纯想知道等离激元超表面Q因子的上限。”Reshef说，他是加拿大渥太华大学的Banting博士后。“我们（想看看它）有多大的改进空间，以着眼于其未来在非线性光学领域的应用。”

与LSPRs相关的Q因子通常小于10，而在基于SLR的超表面中，迄今为止实验观测到的最高Q因子为430。本文主要作者Saad Bin-Alam不久就测得了超过500的Q因子，他对此感到非常惊讶，促使他展开了一系列针对Q因子陡然升高原因的研究。

有史以来最高的品质因子

为了弄清限制基于SLR设计超表面Q因子提高的原因，Bin-Alam与Reshef迭代了几个不同的设计参数。他们发现，纳米几何结构、阵列大小以及探测光源的空间相干性对Q因子的影响最大。最终，研究人员成功设计出一个在C波段Q因子为2340的等离激元超表面。

Reshef说：“此项研究中的Q因子约为2400，是目前所有形式超表面中最高的。事实上，高Q因子是在等离子粒子超表面中获得的，这颠覆了以往应该在光子学中避免金属使用的认知。”

他认为，辅以正确手段，将可进一步提高Q因子。如今，等离激元纳米结构的一个主要缺陷已经被克服，研究人员预计，未来等离激元纳米结构将会进一步应用到窄带陷波滤波器、纳米激光器和准量子源的参量下转换中去。