PRL－邱祥冈韩秀峰李志远等－表面等离子体研究

中科院物理所超导国家重点实验室邱祥冈研究员领导的研究小组，通过与磁学国家重点实验室韩秀峰研究员以及光物理重点实验室李志远研究员合作，在具有周期性孔阵列的金属薄膜上成功地对单个金属/电介质界面的表面等离子体现象进行了研究，观察到了表面等离子体在亚波长增强透射中高阶的共振峰，并首次观察到了TE模式入射光照射下表面等离子体低级对称峰随入射角的劈裂现象，得到了表面等离子体在入射光的TE模式和TM模式下的色散关系，证实了在亚波长增强透射中表面等离子体所起的重要作用。近日，该结果发表在美国《物理评论快报》(Phys. Rev. Lett. 99，066805 (2007)上。
 
自从法国的Ebbeson小组发现具有周期性圆孔阵列的金属薄膜对亚波长光的增强透射现象以来，金属薄膜中的亚波长光学现象就受到了广泛的关注。由于这种人工结构对某特定亚波长光的增强透过能力以及对亚波长近场光的超高分辨率，使得这种亚波长光学现象所涉及的plasmonics学以及基于其的微型光学器件成为研究热点，并一直持续至今。这种亚波长增强透射现象已经超出了经典光学中的衍射极限，而基于表面等离子体理论的理解也一直处于争议之中。
 
金属中的表面等离子体与真空中的电磁波满足不同的色散关系，通过研究这种色散关系就可得到表面等离子体的特性，从而研究它在亚波长透射增强效应中所起的作用。在此前的工作中，人们通常使用介电常数接近于1的材料作为金属膜的基片，这使得在金属膜两个界面所产生的表面等离子体波有较强的干涉作用，从而掩盖了其本征性质。半导体器件中常用的Si有较大的介电常数，同时对红外光有较大的透过率，这使得我们可以分离出金属薄膜两个界面的表面等离子体，从而使对单个界面的表面等离子体的研究成为可能。利用磁控溅射在Si衬底上制备了高质量的Au薄膜，并利用微加工技术在Au薄膜上制备了孔径3微米，周期为5至7微米的圆孔阵列，在波长远大于孔径的波段进行了红外透射测量，观察到了亚波长光的增强透射现象。首次观察到了高至(2，2)阶的表面等离子体共振峰，并观察到了TE模式入射光下4支简并的Si(1，1)表面等离子体波随入射角的改变劈裂成两支2重简并的表面等离子体波的现象，得到了TE模式下表面等离子体的色散曲线。该色散曲线很好地符合周期性圆孔结构的金属薄膜的表面等离子体理论。并且，利用基于Maxwell方程的电磁理论计算也得到与实验及表面等离子理论完全符合的结果，由此证实了亚波长增强透射现象是表面等离子体在电磁波的衍射中所起的作用而引起的。
 
本工作得到了得到了国家自然科学基金委，科技部和中国科学院创新国际团队项目的资助。本研究证实了亚波长增强透射现象是表面等离子体在电磁波的衍射中所起的作用而引起的。