金屬納米結(jié)構(gòu)中的表面等離激元具有許多奇特的光學(xué)性質(zhì)，如光場(chǎng)局域效應(yīng)、透射增強(qiáng)、共振頻率對(duì)周圍環(huán)境敏感等，因而被廣泛應(yīng)用于納米集成光學(xué)器件、癌癥熱療、光學(xué)傳感、增強(qiáng)光催化、太陽(yáng)能電池以及表面增強(qiáng)拉曼光譜等。其中，利用表面等離激元設(shè)計(jì)與制作亞波長(zhǎng)光學(xué)器件是一個(gè)嶄新而迅速發(fā)展的研究方向。在一維金屬納米結(jié)構(gòu)中，表面等離激元可以將光場(chǎng)限制在遠(yuǎn)小于光波長(zhǎng)的橫截面內(nèi)，這一特性為光學(xué)芯片的高密度集成奠定了理論基礎(chǔ)。近年來(lái)，中國(guó)科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（籌）徐紅星研究組圍繞基于金屬納米線的集成納米光學(xué)芯片的原理開展了一系列原創(chuàng)性的研究工作，包括表面等離激元在納米線中的角發(fā)射規(guī)律[Nano Lett. 9(12), 4383 (2009)]，納米線等離激元與單分子和單量子點(diǎn)的相互作用 [Nano Lett. 9(5), 2049 (2009), Nano Lett. 9(12), 4168 (2009)]、基于納米線網(wǎng)絡(luò)構(gòu)筑的全光路由器和信號(hào)分離器[Nano Lett. 10(5), 1950 (2010)]及邏輯回路 [Nano Lett. 11, 471(2011)]，以及證明了納米光學(xué)邏輯單元的片上可集成性[Nat. Commun. 2, 387 doi: 10.1038/ncomms1388 (2011)]等。

　  最近，徐紅星研究組的博士生張順平和魏紅博士等通過(guò)理論和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的研究發(fā)現(xiàn)了在均勻的介質(zhì)環(huán)境中，不同模式的金屬納米線表面等離激元的相干疊加可以產(chǎn)生手性（左旋或右旋）的表面等離激元，使光場(chǎng)能量繞著納米線螺旋地向前傳播。與圓偏振光的產(chǎn)生原理類似，手性表面等離激元也是由兩個(gè)具有固定 π/2相位差且相互正交的分量（一階模）疊加而成。通過(guò)改變?nèi)肷涔獾钠衽c納米線的夾角，可以控制表面等離激元的手性（左旋或右旋）。而螺旋的周期也可以通過(guò)納米線的大小、周圍介質(zhì)的折射率、激發(fā)光波長(zhǎng)等參數(shù)來(lái)控制。這些性質(zhì)對(duì)于亞波長(zhǎng)光學(xué)器件與回路的設(shè)計(jì)與制作具有重要意義。利用量子點(diǎn)近場(chǎng)成像技術(shù)，可以精確的觀察到等離激元的不同的手性傳播特性。手性電磁波的一個(gè)重要應(yīng)用是與手性物質(zhì)相互作用。從納米線末端發(fā)射出來(lái)的光子將保持表面等離激元的手性，因此，金屬納米線手性表面等離激元可用于設(shè)計(jì)寬帶可調(diào)的納米圓偏振光光源，即納米尺度的1/4波片，可用于在納米尺度上探測(cè)光與手性物質(zhì)（如單個(gè)手性分子、單個(gè)DNA和蛋白分子的手性部分等）之間的相互作用。相關(guān)工作發(fā)表在近期的Phys. Rev. Lett., 107, 096801 (2011)上。

　  上述工作得到了科技部、國(guó)家自然科學(xué)基金委和中科院知識(shí)創(chuàng)新工程的支持。

圖1 (a) 局域光激發(fā)金屬納米線示意圖；(b-e) 左：垂直或平行偏振激發(fā)下納米線中的不同的模式以及它們的相位。右：被激發(fā)模式的電場(chǎng)分布。

圖2金屬納米線上的手性表面等離激元。(a) 表面電荷分布；(b) 不同橫截面上光能流分布；(c) 螺旋的周期隨納米線半徑的變化規(guī)律。

圖3 不同偏振激光激發(fā)下量子點(diǎn)熒光成像。

圖4 納米線出射光保持了表面等離激元的手性。(a) 出射光的圓偏振度；(b) 圓偏振品質(zhì)；(c) 圓偏振度對(duì)激發(fā)光偏振的依賴關(guān)系；(d) 圓偏振度（紅線）與透過(guò)光強(qiáng)（綠線）隨入射光波長(zhǎng)的變化關(guān)系。