细说神奇的表面等离子体波 | 科学人 | 果壳网 科技有意思
细说神奇的表面等离子体波
本文作者:幽之剑
光通信的新宠——表面等离子体波
光纤是现在全世界最普遍使用的传递光信号的传播器件。它巨大的容量使得科学研究人员对于它将来能够取代微处理器和电子计算机芯片中的各种电子器件充满信心。但是很不幸的是，光纤的尺寸太大使得它和小巧的芯片接口无法匹配。
光电子器件大的原因在于其尺寸被衍射这一物理规律所制约。空间中相聚很近的光之间会相互干涉叠加，这导致承载光信号的光纤的最小宽度是光波长的一半。芯片上传播的光信号通常是1500nm波长的远红外光（这也是人类规定的一切通讯电磁波的波长）。这样光纤的最小宽度会远大于我们目前正在使用的纳米电子器件（硅的集成芯片通常只有100nm的量级），使得光纤和芯片的接口无法匹配。
毫无疑问，人类对于这个衍射极限是无法突破的，因此一度陷入沮丧。但是最近几十年来，人们发现了一种可以用做电子器件与光纤通信媒介的现象：plasmon（表面等离子体波在金属和介质表面的震动），使得整个研究方向重现曙光。
当电磁波在金属和介质表面传播的时候，会引起金属表面电子的共振。电子振动的频率和电磁波是吻合的，但是却有着比电磁波小很多倍的波长（如上图所示）。这意味着，这种表面plasmon振动的波长是被极大压缩了的，可以用来连接大尺度的光纤和纳米级的电子器件。
在金属和电介质表面可以看到，在光纤中同样频率电磁光的波长在meta-material（利用上述plasmon现象制作的材料）中被压缩了几十甚至上百倍（如上图所示），这样光纤和芯片接口尺寸不匹配的问题被解决了，我们只需要在中间加一个plasmonic的转换过渡（如下图所示）。
该器件的一个极大的优点就是低功耗。或许有人会疑惑，因为人们对金属的第一印象就是电磁波会被金属所吸收转化成热量。然而这种表面的plasmon的功耗极小，因为它只是在金属的表面振动，根本没有进入金属内部，所以自然耗散极小。
表面等离子体波的历史
1） 炼金术士的彩色酒杯
炼金术士们在几千年前就已经不经意地参杂金属物质，通过plasmonics的效应来制作有颜色的酒杯。图中的这个杯子就是公元4世纪的罗马酒杯，现在藏于英国大不列颠博物馆。由于金属物质中电子的激发，这个杯子吸收可见光谱中波长相对较短的蓝绿光。
当从杯外直接观看时，plasmonics的散射使酒杯呈现绿色。而如果白光被置于杯内，酒杯就看起来就是红色的，因为只有长波长的可见光可以透过。
2） 两个有趣的实验：多孔金箔的强透射光和完美透镜
早在1989年，Thomas Ebbesen，这位卓越的科学家在他读博士期间就发现，如果光照射在一片打了许多小孔的金箔上，透射出去的光远远比预期的要多的多。但即使是他的导师也不相信他的结果。经过长达10年漫长的思考和实验，他最终明白是表面plasmon的存在使得透射光远远比预计的要强。
另外一个有趣的应用就是做一个完美的透镜。众所周知，从来没有完美的透镜，即使我们能消除色差和球差的影响，还有一个重要的因素会影响：那就是光在传播过程中有很多模式，在不考虑任何消散机制的情况下，有些模式仍然是衰减的，这就导致最终透镜成像的光不是完整的信息。可是对于存在plasmon效应的金属，介电常数是一个负数，这就意味着原本在真空中指数衰减的这些模式在金属中传播时反过来指数上升，这样我们就可以收集到完整的光信息。
表面等离子体波的应用前景：治疗癌症和隐形技术
先来说说金纳米球，它是指沉积一层10纳米厚度的薄金属外层在100纳米大小的球体硅上形成的小球。当暴露在外界电磁波上时，金属和硅的表面会产生plasmonics 效应。现在人类已经可以设计各种不同的粒子半径（几百纳米到10微米）来选择不同的plasmon的振动频率。
1） 治疗癌症的利器
2004年，Halas和他Rice大学的同时一起，将这种金纳米球植入有癌细胞存在的小鼠的血液和组织中。这些金纳米球对于小鼠是无毒的，但由于在快速增值的癌细胞中血液循环比起健康细胞组织更活跃，这些纳米球更倾向于渗透到小鼠的癌细胞组织中（这些金纳米球也可以和抗体连接在一起，保证他们会准确地找到癌细胞）。
更为幸运的是，人类和动物的皮肤组织对于某些特定频段的远红外光是透明的。当科研人员用特定频率的远红外激光照射这些癌细胞组织的时候，这些金纳米球会在其金属表面产生强烈的共振吸收因而使得这一片的温度从正常体温37摄氏度增加到45度。这个高温将会杀死癌细胞而让健康的组织不受伤害。在小鼠试验中，所有癌细胞的迹象在10天内完全消失，而在对比组内癌细胞则迅速地增殖。
2） 隐形技术
plasmonics的另一个很有前景的应用是隐形技术。科学家已经理论证明了存在这种效应的材料可以使光线弯曲。在宇宙中，如果我们给宇宙飞船穿上一件隐身衣——meta-material（应用plasmonics效应的材料）做成的球壳。那么在这个球壳里电磁波将会被弯曲，导致这艘飞船就被隐藏起来了，探测器将不会看见宇宙飞船而只能探测到飞船后方的星系。
参考文献：
H. Atwater. The promise of plasmonics. Special Editions.
17(3):56-63,2007
你可能感兴趣
好东西呀，什么时候能应用？
上课的时候老师讲过。
太高科技了吧。。看不懂
海洋生物学硕士
最后一个隐形技术看上去很牛
医学上远红外波段（2~15um）和信息传输领域的远红外波段（100~1500um）的界定相差很大，但我也不知道应该怎么分，希望了解关于表面等离子波更详细的内容！版主不吝赐教！~
我只知道1.55um是现在通信用的波段范围。不太明白你说的界定相差很大怎么分是什么意思？等离子体表面波可以在一个很宽的频段内产生，取决于材料和形状等等。引用 无双乐仔 的回应：医学上远红外波段（2~15um）和信息传输领域的远红外波段（100~1500um）的界定相差很大，但我也不知道应该怎么分，希望了解关于表面等离子波更详细的内容！版主不吝赐教！~
能提供相应的参考文献么？
特别是前三幅图，谢谢。
电气工程硕士生
引用 稀饭火锅 的回应：能提供相应的参考文献么？H. Atwater. The promise of plasmonics. Special Editions.17(3):56-63,2007参考文献，你也可以给作者发站内信进行交流。
Geek就应该多发些这样有含金量的文章
我单位搞错了，丢人了引用 幽之剑 的回应：我只知道1.55um是现在通信用的波段范围。不太明白你说的界定相差很大怎么分是什么意思？等离子体表面波可以在一个很宽的频段内产生，取决于材料和形状等等。引用 无双乐仔 的回应：医学上远红外波段（2......
好棒~~那个治疗癌症的很不错~~癌症也算是最后几种顽疾之一了......
我想弱弱地问一句，在频率不变的情况下，波长缩小不会导致电磁波的速度降低吗？
应该是金属原子振动的振幅较原电磁波振幅减小了吧。。。
那个隐形，依然是闭上眼睛世界就不存在了啊，别人看不到你，你也一样看不到别人了，也许可以伸一根很小的天线在外面
引用文章内容：空间中相聚很近的光之间会相互干涉叠加，这导致承载光信号的光纤的最小宽度是光波长的一半。x想知道这是为什么？求赐教啊！
H。Atwater全名是Harry Atwater，在CalTech。Halas是一个姓Halas的在Rice的人。那篇东西的作者是Lewosky？
引用 的话：那个隐形，依然是闭上眼睛世界就不存在了啊，别人看不到你，你也一样看不到别人了，也许可以伸一根很小的天线在外面摄像头，天线都可以。就像飞机只有窗户而不是全透明的一样的道理。也可以将这种效应的材料做成密集的网状。这样也能减小可视面积，和隐形飞机一个道理，减小雷达反射截面的面积，如果雷达以为是一只鸟目的也就达到了。
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