表面等離激元，是光與金屬中自由電子相互作用形成的一種新型元激發，因其對光場具有亞波長尺度的約束能力和突破衍射極限的傳輸特性,在微納光子器件和光子集成、超分辨成像等領域具有廣闊的應用前景。然而由于等離激元激發有電子振蕩參與，由焦耳熱引起的損耗成了等離激元器件走向應用的瓶頸。對于微納光子器件及集成芯片來說，尋找光頻段低損耗的金屬材料成了該領域研究人員多年來努力的目标。

近日，beat365納光電子前沿科學中心、人工微結構和介觀物理國家重點實驗室馬仁敏課題組與南京大學朱嘉、周林、祝世甯研究團隊、佐治亞理工蔡文杉等研究組合作，在鈉金屬薄膜和等離激元光子器件研究方面取得了重要突破。相關工作被《Nature》雜志以标題“Stable, high-performance sodium-based plasmonic devices in the near-infrared” 進行了長文報道。

金屬鈉膜的制備是鈉基等離激元器件首先需要解決的問題。研究團隊發展了獨特的液态金屬旋塗工藝，制成了金屬鈉薄膜，首次揭示了金屬鈉膜的優異光波段等離激元特性（圖1）。研究結果證實金屬鈉的自由電子弛豫時間約為金屬銀的兩倍，在1500 納米附近表面等離激元在鈉-二氧化矽界面的傳播長度可達200微米以上，波導的品質因數是金屬銀的兩倍以上。

研究團隊在此基礎上進一步開發了鈉基等離激元功能器件。納米激光光源是光子芯片集成的核心器件之一，更小體積、更高調制速度、更低功耗且能在室溫下工作的激光器一直是其發展的目标。例如，在電子芯片上實現光互連就要求激光器的特征尺度接近電子器件，功耗也要小于電互聯。然而，常規激光的小型化受到光學衍射極限的制約，特征尺寸隻能小至光波長量級。引入金屬微納結構，通過表面等離激元的輔助，光源不但能夠突破光學衍射極限，縮小特征尺寸，而且能夠增強光與物質相互作用，有效降低激光器的激射阈值和器件功耗。團隊解決了鈉旋塗工藝與微納加工的兼容性問題，研制出了鈉基通訊波段等離激元納米激光器。室溫下該激光器的光泵激射阈值僅為140千瓦每平方厘米，創造了同類等離激元納米激光器室溫激射的阈值新低（圖2）。值得一提的是，得益于有效的封裝保護，該激光器件在正常環境下6個月後仍然保持了良好的工作性能。同時，研究團隊在高溫和高濕環境下進行了鈉基器件的加速老化實驗，證明了制備的鈉基等離激元器件具有非常好的耐受能力。

采用堿金屬有效降低了等離激元材料光學損耗，為時空小尺度上光與物質耦合相互作用的研究提供了新的探索路徑。以鈉為代表的堿金屬在近紅外波段展現出優異的等離激元特性，為探尋低損耗等離激元光子材料提供了新的思路；低損耗、高性能的鈉基等離激元器件的展示向等離激元集成應用方向邁出堅實的一步。同時堿金屬低損耗的本征特性及極限仍有待深入挖掘，未來随着工藝發展與材料質量的提升，并結合堿金屬獨特的電化學特性，将為新型等離激元功能器件的發展提供新的機遇。

該工作發表于Nature（DOI: 10.1038/s41586-020-2306-9），南京大學汪洋、于健宇，beat365毛逸飛及南京大學陳績為共同第一作者；朱嘉，馬仁敏，周林及祝世甯為論文通訊作者。這項工作得到國家自然科學基金委、科技部、北京市自然科學基金、納光電子前沿科學中心、人工微結構和介觀物理國家重點實驗室、量子物質科學協同創新中心等的支持。南京大學、beat365、佐治亞理工、浙江工商大學等單位研究人員參與合作。

■論文鍊接：

https://www.nature.com/articles/s41586-020-2306-9