光子作为信息的载体有着电子无法比拟的优势，如高带宽、高密度、高速度和低耗散等。2009年的诺贝尔物理学奖颁给了在光纤通信领域作出开创性工作的高锟教授。可是，由于光的衍射极限，光学元器件和芯片却很难做到小型化。最近，人们发现可以利用光子激发金属自由电子气的集体振荡，即等离子激元，从而突破光的衍射极限，实现在纳米尺度上对光的操纵，这为光学元器件和芯片小型化带来了曙光。最近对等离子激元的研究迅速发展成国际上的一个新兴热点研究领域：Plasmonics。

中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家实验室（筹）徐红星研究组一直致力于这一新兴领域的研究，在纳米尺度操控光强、光的偏振、光的传播、光学力等方面做出了系统的工作。他和他的同事发现的纳间隙金属纳米结构的巨大电磁增强效应【Phys. Rev. Lett. 83, 4357（1999)和Phys. Rev. E 62, 4318,（2000)】是单分子表面增强光谱和其他一些非线性效应的基础，由此发展起来的相关研究成为美国物理学会2010年三月会议的一个主题分会 (Z2：Plasmonic nanogaps)的报告内容。他们最近的相关研究包括金属纳米孔洞-纳米颗粒、金属纳米线-纳米颗粒、STM金属针尖-纳米颗粒、金属纳米米和纳米花等体系，主要结果发表在【Small 4, 1296 （2008); Nano Lett. 8, 2497（2008); APL 92, 093110（2008); JACS 131, 6068 (2009）;Adv. Mater. 21,4614(2009)】上。在纳米尺度对光的偏振调控的研究上，他们和以色列Weizmann研究所Gilad Haran教授的研究小组合作，发现非对称的金属纳米颗粒聚集体的表面等离子体天线效应可以改变单个分子发光的偏振方向，可用于制备纳米尺度的光偏振旋转器，相关结果发表在【PNAS 105, 16448（2008)和ACS Nano 3, 637 （2009)】上。

在纳米尺度上实现对光传导的操控是研发未来纳米光子芯片和新型高效传感器的关键，是Plasmonics领域国际上竞争非常激烈的研究方向。最近，徐红星研究组在纳米尺度上等离子激元传输研究上取得了系列进展。他们研究组的博士生方蔚瑞和魏红博士等利用金属纳米线中传导的等离子激元实现了单分子水平上的表面增强拉曼散射（SERS）的远程激发，并与美国Rice大学的Peter Nordlander教授合作，从理论上成功地解释了这一超灵敏远程激发的SERS的机制。SERS的远程激发与通常采用的直接激发相比有着显著的优点：远程激发模式可以实现在纳米尺度范围内的照明和光谱激发，因而可极大的提高信噪比和减少对样品的潜在的损伤；远程激发模式也可用于在直接激发模式因光吸收等无法适用的环境中实现光谱的探测。这一研究将开启微纳尺度上光谱探测的新模式，特别是为生物体系中生化信息的远程探测提供了新方法和新思路。该研究的意义还在于可能对未来的纳米光学元器件及其芯片的设计有所帮助，比如将金属纳米颗粒与纳米线或者纳米线与纳米线的连接处作为网络节点来实现亚微米尺度的信息传输。该工作发表在【Nano Letters 9，2049（2009）】上。

最近，该组成员李志鹏博士等人发现，在银纳米线一端激发等离子激元传播时，纳米线另一端的出射光沿与纳米线轴线成45~60度的角度定向发射，而沿着纳米线轴线方向没有出射光。他们与美国Rice大学的Peter Nordlander教授小组合作，通过纳米线中正向、反向传播的等离子激元法布里-珀罗共振图像从理论上解释了这种新奇现象。金属纳米线作为可以突破衍射极限的的光波导，其传播发射性质对设计基于纳米线的光子器件具有重要的指导意义。该工作发表在【Nano Letters 9,4383（2009）】上。

另外，该组成员魏红博士与美国德克萨斯大学奥斯汀分校的Chih-Kang Shih教授等的研究小组合作，发现了金属纳米线中传导的等离子激元与量子点的激子的双向相互作用和互相转化。研究表明，等离子激元的传导可以远程激发量子点产生激子，在此过程中，能量直接从传导的等离子激元转移到激子。他们还证明了相反的过程，即受激量子点的激子衰减可以激发等离子激元。该发现为等离子激元器件与半导体器件的结合提供了有益的思路。该工作发表在【Nano Letters 9,4168 （2009）】上。

这些研究工作得到了国家自然科学基金委、科技部、中国科学院知识创新工程等的资助。

图1：银纳米线-纳米颗粒体系中，利用等离子激元的传导实现对表面增强拉曼散射的远程激发。

图2：银纳米线波导中光的定向发射。

 图3：银纳米线中传导的等离子激元激发量子点发光。