图1所示。当金属和半导体结合在一起时，它们形成肖特基结，产生空间电荷区。在这个区域内，带电粒子的密度经历波动，从而影响界面的行为。利用外部偏置电位(V)，我们可以改变结的特性(见图2)。当偏置电位为零(V=0)时，肖特基结的理想能带图。金属和半导体的功函数分别用h m和h s表示。式中，Ec为导带最低能，Ev为价带最高能，Ef为结的费米能，Eg = (Ec−Ev)为半导体的能带隙，h bn为肖特基结势垒，χs为半导体的电子亲和能。图片来源:Kosala Herath, Sarath D. Gunapala和Malin Premaratne
设想这样一个领域，光可以在极小的尺度上被精心控制和操纵，释放出纳米技术和量子信息技术前所未有的潜力。最近在量子研究方面的突破使我们更接近一个可能比以前更容易实现的现实。
在这篇文章中，我们深入研究了表面等离子激元(SPPs)的领域，以及它们在量子光学领域革命中提供的巨大可能性。
表面等离子体激元(SPPs)
想象一个阳光明媚的日子里宁静的湖泊。当你把一块小石头扔进水里时，它会在水面上掀起温柔的涟漪。现在，把光想象成那些起伏的涟漪。当光遇到金属和介电材料的界面时，它有能力产生波，就像湖面上的涟漪一样。这种现象更加有趣，因为这些光波可以与金属的微观成分(如电子)相互作用。值得注意的是，光波和电子的振荡同步，产生SPP波。
这种新的波浪优雅地沿着金属表面传播，让人联想到湖泊的涟漪，但注入了光的本质。spp具有特殊的特性，因为它们可以在金属表面的微小缝隙中导航，类似于在迷宫中移动。由于SPPs具有超越普通光波的独特特性和能力，科学家们致力于对其进行研究。穿越如此微小空间的能力促进了纳米级电子设备的发展，包括数据处理单元和传感器。这些进步为尖端量子技术铺平了道路，预示着一个充满无限可能性的未来。
肖特基结
传统的SPPs发生在金属和介电材料的界面上，已经在纳米光子学中显示出显著的潜力。然而，科学家们最近有了一个有趣的发现，为这一现象增加了一个新的维度。
当金属和半导体结合在一起形成肖特基结时(图1)，由于金属和半导体之间的载流子密度的差异，在这个结处出现了一个单独的空间电荷区，这是一件非同寻常的事情[1]。这个区域改变了界面的属性，导致spp行为的转变。这类似于在这个特殊的界面上发现一个全新的波。
图2。在肖特基结内，金属区域遇到两种不同类型的入射光:来自顶部的线偏振修整场和来自底部的圆偏振修整场。通过量子描述，我们可以证明这种现象使我们能够主动操纵表面等离子激元(SPPs)沿着界面的运动。图片来源:Kosala Herath, Sarath D. Gunapala和Malin Premaratne
基于乔装SPPs的肖特基结量子描述
我们的研究团队开发了一个以量子理论为基础的综合理论框架[2]，可以准确预测受外部电磁场作用时肖特基结处的SPP行为[图2]。我们在《科学报告》上发表了我们的发现。
通过应用量子原理，我们推导出了“装扮”金属介电函数的表达式。但在这种情况下，“穿衣”究竟意味着什么?最近的科学突破表明，使用Floquet工程技术，外部电磁场具有“修饰”或改变金属性质的能力[3,4,5]。必须强调的是，这些观测只能在量子理论的框架内被理解和解释。
现在，真正令人兴奋的部分来了:这个修整场提供了一个有效的工具来控制和增强SPPs的繁殖。它改变了金属的磁化率和介电常数函数，从而改变了它与光和其他电磁波的相互作用。通过调整这个外场的强度、频率和极化，我们可以精细地调整金属内部电子的迁移率。我们的研究结果表明，通过这样做，我们可以延长SPPs在不耗散能量的情况下行进的距离。这一进展对实际应用中的纳米级数据处理设备的发展具有重要意义。
这一切对我们的世界意味着什么?让你的想象力翱翔，想象一个难以置信的微小电路利用光的力量为我们的设备提供燃料的未来。这些电路将表现出非凡的效率，并以惊人的速度处理信息。这一在纳米尺度上控制和增强光传播的突破为量子信息技术的未来开辟了许多可能性。
精细控制光波的能力为先进量子光子电路和设备的发展铺平了道路，超越了当前电子元件的能力。想象一下，智能手机比以往任何时候都更快、更小、更强大，可以毫不费力地处理复杂的任务。设想快速数据处理和共享系统将彻底改变电信、计算和医疗保健行业。
有了这些进步，技术和各个部门的格局将发生深刻的变化。这些突破有可能重塑我们的世界，在通信、计算和医疗保健等方面取得显著进步。
[1] Malin Premaratne和Govind P. Agrawal，纳米级量子器件的理论基础，剑桥大学出版社(2021)。DOI: 10.1017 / 9781108634472
[2]张建军，张建军，张建军，等。表面等离子体波导的优化设计方法，光子学报(自然科学版)(2009)。DOI: 10.1038 / s41598 - 023 - 37801 - x
[3]王晓明，等。量子霍尔系统中电荷输运特性的广义模型，物理学报(B)(2010)。DOI: 10.1103 / PhysRevB.105.035430
[4]张晓明，张晓明，等。等离子体波导的偏振效应研究，光学学报(自然科学版)，2012(4)。DOI: 10.1117/12.2635710
[5]王晓明，等。等离子体波导中表面等离子体激元模式的研究，物理学报，2002,21(5):555 - 557。DOI: 10.1103 / PhysRevB.106.235422
Bios:
Kosala Herath，博士研究生，澳大利亚莫纳什大学电气与计算机系统工程高级计算与模拟实验室(qdresearch.net)成员。他于2018年获得斯里兰卡莫拉图瓦大学(University of Moratuwa)电子与电信工程学士学位(一等荣誉)。目前主要研究方向为纳米等离子体、低维电子输运和Floquet系统。
Sarath D. Gunapala是一名固体物理学家，也是加州理工学院喷气推进实验室(JPL)的高级研究科学家。他领导喷气推进实验室的红外光子学小组。他于1985年获得匹兹堡大学博士学位。1985年至1988年，他在贝尔通信研究公司担任副研究员。从1988年到1992年，他是新泽西州默里山AT&T贝尔实验室的技术人员。目前，他的研究主要集中在半导体纳米器件方面，包括基于量子阱、线、点和自旋器件的半导体器件，特别是红外探测器和成像焦平面的新型人工带隙材料的研究。他在技术会议上做了200多次演讲和100多次受邀演讲。此外，他撰写了300多篇出版物，包括许多关于红外成像焦平面阵列的书籍章节，他拥有26项专利。
Malin Premaratne在墨尔本大学获得多个学位，包括数学学士学位、电气与电子工程学士学位(一等荣誉)，以及分别于1995年、1995年和1998年获得博士学位。自2004年以来，他一直在克莱顿莫纳什大学高级计算与模拟实验室领导复杂系统模拟的高性能计算应用研究项目。目前，他担任莫纳什大学学术委员会副主席和正教授。除了在莫纳什大学工作外，Premaratne教授还是几所著名机构的客座研究员，包括加州理工学院的喷气推进实验室、墨尔本大学、澳大利亚国立大学、加州大学洛杉矶分校、纽约罗切斯特大学和牛津大学。他发表了250多篇期刊论文和两本书，并担任多个主要学术期刊的副主编，包括IEEE Photonics Technology Letters, IEEE Photonics journal和Advances in Optics and Photonics。Premaratne教授对光学和光子学领域的贡献获得了许多奖学金，包括美国光学学会(FOSA)、美国光光学仪器工程师学会(FSPIE)、英国物理学会(FInstP)、英国工程技术学会(FIET)和澳大利亚工程师学会(FIEAust)。
期刊信息:科学报告，物理评论B