圖1所示。當金屬和半導體結合在一起時，它們形成肖特基結，産生空間電荷區。在這個區域内，帶電粒子的密度經曆波動，進而影響界面的行為。利用外部偏置電位(V)，我們可以改變結的特性(見圖2)。當偏置電位為零(V=0)時，肖特基結的理想能帶圖。金屬和半導體的功函數分别用h m和h s表示。式中，Ec為導帶最低能，Ev為價帶最高能，Ef為結的費米能，Eg = (Ec−Ev)為半導體的能帶隙，h bn為肖特基結勢壘，χs為半導體的電子親和能。圖檔來源:Kosala Herath, Sarath D. Gunapala和Malin Premaratne
設想這樣一個領域，光可以在極小的尺度上被精心控制和操縱，釋放出納米技術和量子資訊技術前所未有的潛力。最近在量子研究方面的突破使我們更接近一個可能比以前更容易實作的現實。
在這篇文章中，我們深入研究了表面等離子激元(SPPs)的領域，以及它們在量子光學領域革命中提供的巨大可能性。
表面等離子體激元(SPPs)
想象一個陽光明媚的日子裡甯靜的湖泊。當你把一塊小石頭扔進水裡時，它會在水面上掀起溫柔的漣漪。現在，把光想象成那些起伏的漣漪。當光遇到金屬和介電材料的界面時，它有能力産生波，就像湖面上的漣漪一樣。這種現象更加有趣，因為這些光波可以與金屬的微觀成分(如電子)互相作用。值得注意的是，光波和電子的振蕩同步，産生SPP波。
這種新的波浪優雅地沿着金屬表面傳播，讓人聯想到湖泊的漣漪，但注入了光的本質。spp具有特殊的特性，因為它們可以在金屬表面的微小縫隙中導航，類似于在迷宮中移動。由于SPPs具有超越普通光波的獨特特性和能力，科學家們緻力于對其進行研究。穿越如此微小空間的能力促進了納米級電子裝置的發展，包括資料處理單元和傳感器。這些進步為尖端量子技術鋪平了道路，預示着一個充滿無限可能性的未來。
肖特基結
傳統的SPPs發生在金屬和介電材料的界面上，已經在納米光子學中顯示出顯著的潛力。然而，科學家們最近有了一個有趣的發現，為這一現象增加了一個新的次元。
當金屬和半導體結合在一起形成肖特基結時(圖1)，由于金屬和半導體之間的載流子密度的差異，在這個結處出現了一個單獨的空間電荷區，這是一件非同尋常的事情[1]。這個區域改變了界面的屬性，導緻spp行為的轉變。這類似于在這個特殊的界面上發現一個全新的波。
圖2。在肖特基結内，金屬區域遇到兩種不同類型的入射光:來自頂部的線偏振修整場和來自底部的圓偏振修整場。通過量子描述，我們可以證明這種現象使我們能夠主動操縱表面等離子激元(SPPs)沿着界面的運動。圖檔來源:Kosala Herath, Sarath D. Gunapala和Malin Premaratne
基于喬裝SPPs的肖特基結量子描述
我們的研究團隊開發了一個以量子理論為基礎的綜合理論架構[2]，可以準确預測受外部電磁場作用時肖特基結處的SPP行為[圖2]。我們在《科學報告》上發表了我們的發現。
通過應用量子原理，我們推導出了“裝扮”金屬介電函數的表達式。但在這種情況下，“穿衣”究竟意味着什麼?最近的科學突破表明，使用Floquet工程技術，外部電磁場具有“修飾”或改變金屬性質的能力[3,4,5]。必須強調的是，這些觀測隻能在量子理論的架構内被了解和解釋。
現在，真正令人興奮的部分來了:這個修整場提供了一個有效的工具來控制和增強SPPs的繁殖。它改變了金屬的磁化率和介電常數函數，進而改變了它與光和其他電磁波的互相作用。通過調整這個外場的強度、頻率和極化，我們可以精細地調整金屬内部電子的遷移率。我們的研究結果表明，通過這樣做，我們可以延長SPPs在不耗散能量的情況下行進的距離。這一進展對實際應用中的納米級資料處理裝置的發展具有重要意義。
這一切對我們的世界意味着什麼?讓你的想象力翺翔，想象一個難以置信的微小電路利用光的力量為我們的裝置提供燃料的未來。這些電路将表現出非凡的效率，并以驚人的速度處理資訊。這一在納米尺度上控制和增強光傳播的突破為量子資訊技術的未來開辟了許多可能性。
精細控制光波的能力為先進量子光子電路和裝置的發展鋪平了道路，超越了目前電子元件的能力。想象一下，智能手機比以往任何時候都更快、更小、更強大，可以毫不費力地處理複雜的任務。設想快速資料處理和共享系統将徹底改變電信、計算和醫療保健行業。
有了這些進步，技術和各個部門的格局将發生深刻的變化。這些突破有可能重塑我們的世界，在通信、計算和醫療保健等方面取得顯著進步。
[1] Malin Premaratne和Govind P. Agrawal，納米級量子器件的理論基礎，劍橋大學出版社(2021)。DOI: 10.1017 / 9781108634472
[2]張建軍，張建軍，張建軍，等。表面等離子體波導的優化設計方法，光子學報(自然科學版)(2009)。DOI: 10.1038 / s41598 - 023 - 37801 - x
[3]王曉明，等。量子霍爾系統中電荷輸運特性的廣義模型，實體學報(B)(2010)。DOI: 10.1103 / PhysRevB.105.035430
[4]張曉明，張曉明，等。等離子體波導的偏振效應研究，光學學報(自然科學版)，2012(4)。DOI: 10.1117/12.2635710
[5]王曉明，等。等離子體波導中表面等離子體激元模式的研究，實體學報，2002,21(5):555 - 557。DOI: 10.1103 / PhysRevB.106.235422
Bios:
Kosala Herath，博士研究所學生，澳洲莫納什大學電氣與計算機系統工程進階計算與模拟實驗室(qdresearch.net)成員。他于2018年獲得斯裡蘭卡莫拉圖瓦大學(University of Moratuwa)電子與電信工程學士學位(一等榮譽)。目前主要研究方向為納米等離子體、低維電子輸運和Floquet系統。
Sarath D. Gunapala是一名固體實體學家，也是加州理工學院噴氣推進實驗室(JPL)的進階研究科學家。他上司噴氣推進實驗室的紅外光子學小組。他于1985年獲得匹茲堡大學博士學位。1985年至1988年，他在貝爾通信研究公司擔任副研究員。從1988年到1992年，他是紐澤西州默裡山AT&T貝爾實驗室的技術人員。目前，他的研究主要集中在半導體納米器件方面，包括基于量子阱、線、點和自旋器件的半導體器件，特别是紅外探測器和成像焦平面的新型人工帶隙材料的研究。他在技術會議上做了200多次演講和100多次受邀演講。此外，他撰寫了300多篇出版物，包括許多關于紅外成像焦平面陣列的書籍章節，他擁有26項專利。
Malin Premaratne在墨爾本大學獲得多個學位，包括數學學士學位、電氣與電子工程學士學位(一等榮譽)，以及分别于1995年、1995年和1998年獲得博士學位。自2004年以來，他一直在克萊頓莫納什大學進階計算與模拟實驗室上司複雜系統模拟的高性能計算應用研究項目。目前，他擔任莫納什大學學術委員會副主席和正教授。除了在莫納什大學工作外，Premaratne教授還是幾所著名機構的客座研究員，包括加州理工學院的噴氣推進實驗室、墨爾本大學、澳洲國立大學、加州大學洛杉矶分校、紐約羅切斯特大學和牛津大學。他發表了250多篇期刊論文和兩本書，并擔任多個主要學術期刊的副主編，包括IEEE Photonics Technology Letters, IEEE Photonics journal和Advances in Optics and Photonics。Premaratne教授對光學和光子學領域的貢獻獲得了許多獎學金，包括美國光學學會(FOSA)、美國光光學儀器工程師學會(FSPIE)、英國實體學會(FInstP)、英國工程技術學會(FIET)和澳洲工程師學會(FIEAust)。
期刊資訊:科學報告，實體評論B