金属也能传光

基原

我们都知道，金属可以导电，光纤可以导光。但是，科学家发现，金属居然也是能传导光的。这种神奇的现象会有什么用处呢？

撰文/王鲁橹于丽（北京邮电大学理学院）

我们都知道金属能够导电，那么，你知道金属也能导光吗？科学家研究发现，金属真的能够传导光。以银纳米线为例，把激光聚焦在纳米线的一端，光就能够沿着纳米线传输到另一端。之所以会发生这种奇妙的现象，是因为在金属表面存在着一种特殊的状态，科学家称之为“表面等离激元”(surface plasmon，也称为表面等离波子）。

什么是表面等离激元？

大家知道，光是一种电磁波，在以特定方式照射时，金属和介质界面处的自由电子会在其电场的作用下，发生集体共振，这些共振电子会和光场相互耦合形成一种特殊状态，这就是表面等离激元。

当满足波矢匹配条件时，光波就会激发出表面等离激元，并且它会沿着合适的表面传播。作为激发表面等离激元的逆过程，表面等离激元转化为光波也需要满足波矢匹配条件。所以表面等离激元在平滑界面会稳定传输，而在缺陷、边缘、端点等位置则容易转化为光波散射出来。

两个基本特性

在表面等离激元的作用下，界面附近的光场强度会得到极大的增强，能够比入射光场的强度高几个数量级，这就是表面等离激元的场增强特性。随着与界面距离增大，界面两边的光场强度会以指数衰减，能量被高度局域在界面附近，这就是表面等离激元的场局域特性。例如氦氖激光（波长633纳米），在银和空气的平滑界面上激发表面等离激元，在界面附近的光强能增强约4万倍，而在空气中距离界面480纳米处就衰减到最高光强的1/10，在金属中衰减到同样光强更是只需20纳米的距离。在尖锐的金属微纳结构中（如劈尖、针尖），金属的场增强特性会更加明显。

也正是由于表面等离激元的场局域特性，光场高度局域在界面附近，远离界面后迅速衰减，无法传播到自由空间，所以通过常规的光学系统，我们是无法直接“看到”表面等离激元的。前面银纳米线传光的图片中，银纳米线端点处观察到亮斑是由于表面等离激元在端点转化为光波散射出来了，而其作为表面等离激元在银纳米线中传输的过程就没能“看到”。

神奇的古罗马酒杯

表面等离激元的独特性质，早在几千年前就被巧妙地应用在生活中了。在大英博物馆收藏着一个公元4世纪的罗马酒杯，这个酒杯的神奇之处是，从杯外直接观看时，酒杯是绿色的；如果在杯内点上一支蜡烛，酒杯看起来就是红色的了。通过现代检测技术发现，这个酒杯的主要成分和玻璃相近，只是其中掺杂了少量的金银合金纳米颗粒，直径约在70纳米左右。这个尺寸的金属颗粒更容易被绿光激发为表面等离激元，表面等离激元重新转化为光波时发生散射，使得部分绿光被反射回去。红光则不容易激发表面等离激元而直接透过酒杯。这样，我们直接看酒杯时，主要看到的是反射光，所以是绿色；当把蜡烛放到杯里，我们看到的就主要是蜡烛透出来的红光了。

如今，纳米加工和检测技术不断发展，人们对表面等离激元认识也逐渐加深，并将其应用到越来越多的领域中。

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