中国科学院物理研究所魏红研究员课题组利用金属纳米线上传输的表面等离激元，实现了对单个量子点的可控激发和衍射极限尺度下两个量子点的超分辨选择性激发，并提出了将纳米线表面等离激元用于结构照明显微成像的超分辨光学成像方法。

随着对等离激元光子学研究的不断深入，纳米光子器件及集成的研究也迅速发展，而在光的衍射极限尺度下对其中多个纳米光子器件单元实现分别操控是科学和技术上的难题，解决这一瓶颈问题也是实现光子芯片的重要基础。一维金属纳米结构不仅具有显著的局域电磁场增强效应，可以在纳米尺度上增强光与原子、分子、量子点、色心等纳米量子光源的相互作用，而且支持传输的表面等离激元模式，可作为等离激元纳米波导实现亚波长束缚的光信号传输，是构建片上纳米光子回路的基本元件。等离激元纳米波导与单个纳米量子光源的耦合可以实现单个量子化的表面等离激元的产生和传输，对该体系的研究对于深入认识单光子水平上光与物质相互作用的基本物理过程和设计纳米量子光子器件都具有重要意义。多个量子光源与等离激元纳米波导的耦合可以产生新的光学现象，也是实现具有复杂功能的单光子器件的基础，在亚波长尺度上对集成在纳米波导上的多个量子光源分别进行操控具有很大的挑战性。

针对上述问题，魏红研究员课题组设计了一种利用金属纳米线上的表面等离激元干涉场作为激发源的超分辨激发和成像方法。由于表面等离激元干涉条纹的周期远小于激发光波长，这种方法具有突破衍射极限的光学分辨率。银纳米线上传输的表面等离激元与局域表面等离激元的干涉形成“之”字形分布的电场，反向传输的两束表面等离激元干涉形成周期性对称分布的电场。通过调控两束激发光之间的相位差，上述两种等离激元干涉场的分布都沿着纳米线移动，使纳米线上的量子点处的电场强度发生变化，从而调控量子点的激发。利用该方法可以实现对相距几十纳米的两个量子点的选择性激发，实验中通过对相距100 nm的两个量子点的选择性激发演示了该技术的可行性。通过将结构照明显微成像技术与金属纳米线上的表面等离激元干涉场相结合，利用模拟计算实现了对多个量子点的超分辨光学成像。该工作为研究等离激元纳米波导与多个纳米量子光源耦合体系的光学特性提供了一种新的实验方法，对于深入认识纳米尺度上表面等离激元增强的光与物质相互作用的机理和规律、设计基于表面等离激元的纳米量子光子器件和回路等具有重要意义。

图1 利用银纳米线表面等离激元实现对量子点的可控激发。（a）通过表面等离激元驻波调控纳米线上量子点激发的示意图；（b）两束线偏振高斯光照射在银纳米线两端时的电场强度分布；（c）宽场激发下量子点-银纳米线耦合体系的荧光图像；（d）四个量子点的荧光强度随其中一束激发光相位增加的变化。

图2 利用银纳米线表面等离激元选择性激发两个相距100 nm的量子点中的任意一个。（a）银纳米线上两个临近的量子点A和B被表面等离激元驻波同时激发的荧光图像；（b）光斑A&B、C及D的强度随时间的变化；（c）量子点A和B荧光信号的二阶相关函数；（d）,（g）选择性激发量子点A和B的荧光图像；（e）,（h）量子点A 和B及纳米线两端C和D的发光强度随时间的变化；（f）,（i）选择性激发的量子点A和B的荧光信号的二阶相关函数。

图3 将表面等离激元干涉场用于结构照明显微成像技术实现对多个量子点的超分辨光学成像。（a）传统荧光显微成像的点扩散函数；（b）利用结构照明显微成像方法重构的靠近银纳米线的单个量子点的点扩散函数；（c）点扩散函数沿着图（a）和（b）中白色虚线方向的强度分布；（d）银纳米线表面9个量子点的传统荧光图像；（e）通过结构照明显微成像方法重构的9个量子点的超分辨荧光图像。

该研究成果以Plasmon-Assisted Selective and Super-Resolving Excitation of Individual Quantum Emitters on a Metal Nanowire为题发表在Nano Letters [18, 2009-2015 (2018)]上。该工作由中国科学院物理研究所和武汉大学合作完成，得到了科技部、国家自然科学基金委和中国科学院等单位的资助。

论文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.7b05448