人工微结构和介观物理（讲稿）基于表面等离激元的量子光学量子信息

基于表面等离激元的量子光学量子信息古英人工微结构和介观物理国家重点实验室&北京大学物理学院UNISITFiO下载：http://www.phy.pku.edu.cn/-lypeng/fio.htm1*email:ygu@pku.edu.cnMar.19,20121898http://www.phy.pku.edu.cn/-guying/index.html

1 基于表面等离激元的量子光学量子信息 人工微结构和介观物理国家重点实验室 & 北京大学物理学院 古 英 FIO下载：http://www.phy.pku.edu.cn/~lypeng/fio.htm *email: ygu@pku.edu.cn Mar. 19, 2012 http://www.phy.pku.edu.cn/~guying/index.html

Outline:一、表面等离激元光学简介二、表面等离激元相关的几个工作三、介观量子交叉领域的发展现状及前景四、交叉领域相关的几个工作五、总结2

2 Outline: 一、表面等离激元光学简介 二、表面等离激元相关的几个工作 三、介观量子交叉领域的发展现状及前景 四、交叉领域相关的几个工作 五、总结

一、表面等离激元光学简介

一、表面等离激元光学简介

表面等离激元光学Plasmonics研究：金属和介质表面以及纳米金属颗粒的光学性质。解读：Surfaceplasmonpolariton（SPP)Surface：金属和介质的界面Plasmon：金属界面自由电子的集体振荡，借用等离子的概念Polariton：元激发，模式属于：Plasmonics,Mesoscopic optics,nano opticsnanophotonics,nearfieldoptics

4 解读： Surface plasmon polariton （SPP) Surface: 金属和介质的界面 Plasmon: 金属界面自由电子的集体振荡， 借用等离子的概念 Polariton: 元激发，模式 属于： Plasmonics, Mesoscopic optics, nano optics, nano photonics, near field optics 研究： 金属和介质表面以及纳米金属颗粒 的光学性质。 Plasmonics 表面等离激元光学

金和银的介电常数值06oagold-105silver4203.Gold-30Silver2401-50040060060080020080040010001000200wavelengthwavelength5OpticalConstantsoftheNobleMetalsPRB, 6,4370(1972)P.B.Johnson and R.W.Christy

5 200 400 600 800 1000 -50 -40 -30 -20 -10 0 200 400 600 800 1000 0 1 2 3 4 5 6 7 Real dielectric constant wavelength Gold Silver Imaginay dielectric constant) wavelength gold silver 金和银的介电常数值 PRB, 6, 4370 (1972)

(SPPs)表面等离激元E[EsplKE,4H表面等离激元：在金属和介质E(O)交界面，由于表面电荷密度的振荡，束缚在界面的电磁波模式。552Apt/ >kk,=0+82Fu+ve, ng>1E = E。exp(ik,x -k,z)exp(-iot)En-ve,nm<1onE6A.V.Zayatsa,etal,PhysRep.2005,408:131-314B.W.L.Barnesetal,.JOptA:PureApplOpt.2006,8:S87-S93

6 表面等离激元（SPPs） exp( ) exp( ) 0 E E ik x k z i t = x − z − ω 1 0 1 2 1 2 k k x ≥ > + = ω ε ε ε ε ε ω 表面等离激元：在金属和介质 交界面，由于表面电荷密度的 振荡，束缚在界面的电磁波模 式。 A. V. Zayatsa, et al, Phys Rep. 2005, 408:131–314 B. W. L. Barnes et al,. J Opt A: Pure Appl Opt. 2006, 8:S87–S93

表面等离激元的特点0光子1.波矢比同频率的光要大。,sinek,=(0 /c)2.在介质和金属两侧都是候逝场，随着离界面距离的增加，电磁场强度指数衰减emE(0)01/2KSP（电磁场能量局域在界面附8m+e(0)C近)。kx表面等离激元色散曲线表面等离激元中的一些尺度概念Penetration depth Penetration depthintometalintodielectricSPppropagationSPPwavelengthlengthNon-localomSdASPPSsPPeffects二SPPLRSPP10 μm100μm1cm1nm10nm100nm1mm10cm1 μm

7 表面等离激元的特点 ω x k kx = (ω / c) ε p sinθ 1/ 2 ] ( ) ( ) [ ε ε ω ω ε ε ω + = m m sp c k 表面等离激元色散曲线 1. 波矢比同频率的光要大。 2. 在介质和金属两侧都是倏 逝场，随着离界面距离的增 加，电磁场强度指数衰减 （电磁场能量局域在界面附 近）。 表面等离激元中的一些尺度概念

（局域）（LSPR或者SPR表面等离激元共振局域表面等离激元共振：局域在纳米金属颗粒或纳米结构上的电荷密度振荡。1.共振波长由纳米结构的形状、尺寸、材料、周围介质决定。100 nm2.共振时有局域场增强Figure 1.3: Particle plasmongoldsphereofdifferentdiameters(nm)inwater7-65432008021406018040100120201601-00.60.50.70.80.90.30.41.030--00V/8Wavelength (um)

8 （局域）表面等离激元共振（LSPR或者SPR） 局域表面等离激元共振：局域在纳米金属 颗粒或纳米结构上的电荷密度振荡。 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 0 1 2 3 4 5 6 7 200 180 160 140 120 100 80 60 40 20 gold sphere of different diameters (nm) in water Extinction Coefficient Wavelength (µm) 1. 共振波长由纳米结构的形状、尺寸、 材料、周围介质决定。 2. 共振时有局域场增强

dc)Wavelength (μm)21.510.5Colloidalabsorptic1.2Mietheory1.0thinfilmabsorptionotoessso0(ne)0.8-ouegb)0.60.4.-0.20.0-0.51015202.53.03.5404.55.0Energy (eV)Fig.1(a)by exampleof theLycurgus cup (Byzantine empire,4th century A.D.).The glass cup, on display in theBritishMuseum,shows a strikingred colorwhen viewedin trans-mitted light, while appearing green in reflection. This pecu-liarbehaviorisduetosmallAunanoparticlesembeddedintheglass[Fig.1(b)],which show a strong optical absorptionof light inthegreenpart ofthevisiblespectrum[Fig.1()]9Plasmonics:Localizationand guidingofelectromagneticenergyinmetal/dielectricStefanA.MaierandHarryA.Atwater,JOURNALOFAPPLIEDPHYSICS98,0111012005

9 Plasmonics: Localization and guiding of electromagnetic energy in metal/dielectric Stefan A. Maier and Harry A. Atwater, JOURNAL OF APPLIED PHYSICS 98, 011101 2005

Wood'sanomalies,1902Fi&1.WAVELENGTHCOnaRemarkableCaseof UnevenDistributionofLightinaDiffractionGratingSpectrumRWWood1902Proc.Phys.Soc.London1826910SURFACE-PLASMONRESONANCEEFFECTINGRATINGDIFFRACTIONRITCHIERH,ARAKAWAET,COWANJJ,etal（1968）PRL,21,1530

10 Wood’s anomalies，1902 On a Remarkable Case of Uneven Distribution of Light in a Diffraction Grating Spectrum R W Wood 1902 Proc. Phys. Soc. London 18 269 SURFACE-PLASMON RESONANCE EFFECT IN GRATING DIFFRACTION RITCHIE RH, ARAKAWA ET, COWAN JJ, et al （1968） PRL, 21 , 1530