Surface Plasmon Polaritons: Creation Dynamics and Interference of Slow and Fast Propagating SPPs at a Temporal Boundary
University of Wisconsin-Milwaukee（威斯康星大学密尔沃基分校）；Corning Inc.（康宁公司）
研究在时间边界处慢速和快速传播SPPs的产生及干涉机制，利用三维格林函数分析揭示其时间动态行为。
2026-04-08 cond-mat.mes-hall physics.app-ph physics.optics
From Slow to Superluminal Propagation: Dispersive Properties of Surface Plasmon Polaritons in Linear Chains of Metallic Nanospheroids
本文研究了表面等离子体激元在长球形和扁球形金属球线性周期链中的传播。我们发现，SPP群速度可以有效地控制通过改变的纵横比的球体。对于足够小的纵横比，间隙出现在链晶格的第一布里渊区中，其中不存在传播模式。取决于SPP偏振，间隙延伸到布洛赫波数q的特定间隔。因此，对于横向偏振，不存在波数q使得q_c^ \perp <|Q| < π/h，h为链周期。对于纵向极化SPP，间隙跨越间隔|q| <q_c^ \parallel。这里，q_c^ \perp和q_c^ \parallel是不同的常数，其取决于链参数、球体纵横比及其相对于链轴的取向。色散曲线对球体纵横比的依赖性导致了一些有趣的效果。特别地，可以通过利用长球体或扁球体来显著增加可以在LPC中传播的SPP的带宽。当q接近临界值时，|q - q_c^ \perp| <<π/h或|q - q_c^ \parallel| <<π/h时，SPP的衰变长度显著增加。此外，色散曲线获得非常大的正斜率或负斜率。这可以用来实现超光速群速度的现实链参数。我们在数值模拟中证明了高斯波包的超光速传播。理论和模拟都是基于考虑延迟的麦克斯韦方程组，因此是完全相对论的。
2008-06-05 physics.optics
On-chip broadband plasmon-induced transparency based on plasmonic metal-insulator-metal waveguides
等离子体激元诱导透明（PIT）作为电磁感应透明（EIT）的一种类似物，已经在等离子体超材料和波导结构中实现。利用等离子体超材料，通过单胞内的近场耦合，可以产生宽带的PIT，然而，这在片上等离子体波导结构中还没有实现。在这里，我们介绍了宽带PIT的等离子体激元金属-绝缘体-金属（MIM）波导系统的基础上。利用直接耦合结构，PIT出现在一个容易制造的结构的基础上，没有间隙。通过调谐耦合距离，透明窗口可以从窄到宽带连续调谐。这种器件在宽频率范围内的传感、滤波和慢光等片上应用方面具有广阔的前景。
2019-04-23 physics.app-ph physics.optics
Slow light in dielectric composite materials of metal nanoparticles
我们提出了一种方法，通过使用掺杂金属纳米颗粒的复合材料来减慢光脉冲。的基本机制是相关的饱和吸收附近的等离子体共振的泵浦-探测制度，导致强色散的探测折射率和显着降低的群速度。通过使用非共线方案，可以实现43或更大值的总分数延迟。该方案保证了具有可调延迟和太赫兹带宽的简单紧凑的慢光片上器件。
2012-09-17 physics.optics
Active control of broadband plasmon-induced transparency in terahertz hybrid metal-graphene metamaterial
报道了一种金属-石墨烯混合超材料（MM），用于实现THz波段宽带等离子体激元诱导透明（PIT）的主动控制。单胞由一根切割线（CW）、四个U形谐振器（USR）和USR下的单层石墨烯片组成。通过近场耦合，可以通过不同模式之间的干涉产生宽带PIT。基于石墨烯位置的不同排列，不仅可以实现宽带PIT幅度的电开关，还可以实现透明窗口带宽的调制。同时，慢光的能力和范围都可以动态地调节。这项工作提供了更多的自由度来操纵PIT的方案，这将在多功能THz调制中找到重要的应用。
2018-06-01 physics.optics
Multiplexing-oriented plasmon-MoS2 hybrid metasurfaces driven by nonlinear quasi bound states in the continuum
非线性等离子体超颖表面的快速发展使得超颖表面具有许多新颖的光学特性，在频率计量、时序表征和量子信息等方面具有潜在的应用前景。然而，非线性光学响应的光谱通常基于线性光学共振。在这项工作中，波长复用的非线性等离子体激元-MoS 2混合超颖提出了抑制现象，其中多个非线性信号可以同时处理和可选的调谐。从经典方法和量子方法两个方面给出了描述连续介质中非线性等离子体束缚态的清晰物理图像。特别地，在普通的等离子体激元-极化激元效应之外，我们用数值方法证明了在红外波段MoS 2的巨大的BIC激发的二阶非线性极化率$10^{-5}$ ~ $m/V$。在我们的研究中的新颖之处在于存在的量子振荡器，可以通过抑制和增强的非线性准BIC。这种可选择的基于非线性BIC的抑制和增强效应可以可选地阻挡不期望的模式，从而导致更窄的线宽以及更小的量子衰减率，这在慢光相关技术中也是有希望的。
2020-11-11 physics.optics
All-optical switching and unidirectional plasmon launching with electron-hole plasma driven silicon nanoantennas
高折射率介电纳米粒子已成为现代光科学的强大平台，实现了各种迷人的应用，特别是在非线性纳米光子学中，它们实现了特殊类型的光学非线性，例如电子-空穴等离子体光激发，这不是等离子体纳米结构所固有的。在这里，我们提出了一种新的几何高度可调的全介电纳米天线，由一个电偶极子源，它允许通过电子-空穴等离子体光激发调谐其辐射特性的硅纳米粒子激发链组成。我们表明，缓慢的引导模式确定的纳米天线的范霍夫奇异性是非常敏感的纳米粒子介电常数，开放的能力，利用这种效果进行有效的全光调制。我们表明，通过泵浦几个边界纳米粒子相对较低的强度可能会导致纳米天线的辐射功率模式和Purcell因子的显着变化。我们还表明，设计的纳米天线的超快泵浦允许单向发射的表面等离子体激元极化激元，现代非线性纳米光子学的有趣的影响。
2017-03-09 physics.optics
Topological Graphene plasmons in a plasmonic realization of the Su-Schrieffer-Heeger Model
由薄绝缘体、石墨烯和金属制成的石墨烯混合物可以支持传播声等离子体（AGPs）。金属屏蔽修改了通常的石墨烯等离子体激元的色散关系，导致缓慢传播的等离子体激元，具有电磁辐射的记录限制。在这里，我们表明，石墨烯单层，由薄的介电材料和金属纳米棒阵列覆盖，可以用作一个强大的平台来模拟苏-施里弗-希格模型。我们计算了不同等离子体激元带的Zak相位，以确定它们的拓扑结构。该系统显示散装边缘对应：强烈本地化的界面态中产生的畴壁分离阵列在不同的拓扑阶段。我们发现签名的非平凡的阶段，可以直接探测远场中红外辐射，从而允许直接实验确认石墨烯拓扑等离子体。强大的场增强，界面态的高度局部化性质，以及它们的门调谐频率扩展了基于AGP的器件的能力。
2021-02-22 cond-mat.mes-hall physics.optics
Surface Plasmon Assisted Control of Hot-Electron Relaxation Time
表面等离子体激元介导的热载流子产生被广泛用于在包括太阳能电池、光电二极管和光学调制器的许多类型的光电子器件中操纵电子-光子相互作用。各种各样的等离子体系统，如纳米粒子，谐振器和波导已被引入，以提高热载流子的产生，然而，传播的表面等离子体对热载流子寿命的影响还没有被清楚地证明。本文系统地研究了表面等离子体激元与Kretschmann组态耦合作用下薄膜金（Au）样品中的热载流子弛豫。我们观察到，在金属表面的局部受限的电场显着影响的热载流子分布和电子温度，这导致在一个减慢的热电子弛豫时间，而不管在金薄膜的吸收功率的平均值。这一结果可以扩展到其他等离子体纳米结构，使整个光学频率范围内的热载流子寿命的控制。
2019-11-21 physics.app-ph physics.optics
Capacitor-Loaded Spoof Surface Plasmon (SSP) for Flexible Dispersion Control and High-Selectivity Filtering
本文提出了一种利用电容加载技术的新型表面等离子体传输线。这种新的SSP-TL具有灵活和可重构的色散控制和高度选择性的滤波性能，而无需改变配置。此外，它需要比传统的SSP-TL小得多的线宽来实现极慢的波（或高度受限的场），这对于紧凑的系统非常有用。为了说明设计原理，在2-8 GHz的频率范围内设计了几个例子。数值和实验结果与传统的SSP-TL进行了比较。结果表明，该技术提供了更好的性能，在尺寸减小和色散可重构性。
2017-01-16 physics.class-ph physics.optics
Continuously-tunable Cherenkov-radiation-based detectors via plasmon index control
最近的一项研究[PRB 100，075427（2019）]最终证明了金属纳米结构中折射率增强的等离子体类似物，这已经在原子云中研究了几十年。在这里，我们简单地利用这种现象，实现连续可调增强切伦科夫辐射在金属纳米结构。除了使切伦科夫辐射从缓慢移动的粒子，或增加其强度，该现象可以用于连续调谐粒子的速度截止有助于切伦科夫辐射。更有影响力的是，这允许对贡献粒子进行连续可调的分析，就好像数据是从许多不同的探测器收集的一样，这使得数据校正成为可能。这种现象也可以集成到晶格金属纳米结构中，用于连续介质调谐，其中存在高密度的光子态，甚至可以提高切伦科夫辐射的阈值。此外，消失吸收可以治愈由金属吸收引起的辐射角失真效应。
2020-04-15 physics.optics quant-ph
Slow Light in Metamaterial Waveguides
超材料是一种具有新颖光学特性的材料，已被越来越多地研究。制造超材料的能力引发了人们对确定可能应用的兴趣。我们研究使用超材料的波导边界工程。超材料包层圆柱形波导用于为光信号提供约束，从而增加局部电磁能量密度。我们表明，超材料包层波导具有独特的光学特性，包括新的模式，我们称之为混合模式。这些模式具有普通导模和表面等离子体激元极化激元模的性质。我们发现，对于某些超材料参数，超材料包层波导的表面等离子体极化激元模式具有较小的传播损耗比具有相同介电常数的金属包层波导。这种低损耗模式被用于弱场的全光控制。将三能级Λ原子嵌入超材料包层波导的电介质芯中允许使用电磁感应透明性来控制光信号。调节泵浦场改变信号的群速度，从而可控地延迟脉冲。使用超材料包层波导的低损耗表面模式，在不牺牲群速度降低或限制的情况下，使金属包层的损耗降低了20%。此外，我们表明，损失可以减少多达40%，充分减少的超材料的磁阻尼常数。由于这项工作的目的是应用，实际考虑的制造和测试超材料包层波导进行了讨论。概述了两种不同的介质芯材料的优点和缺点。此外，给出了可以使用的其他模式的简短讨论。
2013-12-24 physics.optics
Plasmons on adiabatically varying surfaces
从理论上研究了表面等离子激元（SSP）在两种各向同性介质之间的光滑弯曲界面上的运动，该界面具有缓慢变化的介电常数和磁导率，并支撑着SSP。在近表面波长量级的边界层中，研究了小波长范围内的麦克斯韦方程组的解。得到了沿测地线传播的电磁波在地表上的显式渐近公式。指数因子反映了平面和弯曲情况之间的区别。指数中的曲率相关修正项表现出对横向曲率的强依赖性和对纵向曲率的弱依赖性。参数越接近共振情况，这种趋势越明显。研究发现，在有耗介质中，通过改变曲率可以减小SPP的衰减。如果界面两侧介质的磁导率符号相反，则表面磁等离子体激元可以传播。发现了它的短波长渐近性。
2011-04-19 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.other physics.optics
Mid-infrared-perturbed Molecular Vibrational Signatures in Plasmonic Nanocavities
表面增强拉曼散射（SERS）的最新发展使人们能够在室温下实时观察单键振动。相比之下，中红外（MIR）振动光谱仅限于低效的慢速检测。在这里，我们开发了一种新的方法用于MIR传感使用SERS。该方法利用箔上纳米颗粒（NPoF）纳米腔，其在由单层分子形成的相同纳米间隙中支持可见光和MIR等离子体热点。来自单个NPoF纳米腔的分子SERS信号在MIR光子的存在下被调制。这种调制的强度取决于MIR波长，并且在置于箔下的SiO $_2$或聚苯乙烯的6 - 12 $μ$ m吸收带处最大化。使用单光子锁定检测方案，我们在几个100 ns的信号的上升和衰减的时间解决。我们的观察表明，声子共振的SiO $_2$可以捕获强烈的MIR表面等离子体在Reststrahlen带，调谐可见光波长的局部等离子体通过可逆地扰动纳米结构的裂缝。这为光力学耦合纳米级键振动提供了新的方法，有可能将检测极限降低到单光子和单分子范围。
2021-08-23 cond-mat.mes-hall physics.app-ph physics.optics
Tailoring the band structure of plexcitonic crystals by strong coupling
过渡金属二硫属化物具有激子主导的光学行为，是在可见光范围和环境条件下实现强光-物质相互作用的有前途的材料。当这些材料与金属组合时，由于在界面处的混合金属-TMDC结构中形成多激子，金属中的等离子体激元的能量限制能力低于衍射极限，允许进一步增强和定制光-物质相互作用。在此，我们证明了等离子体激元晶体中的准传播等离子体激元与WSe 2中的激子之间的耦合，提供了用于定制等离子体激元晶体结构的能带结构的多振荡器操场，并导致出现平坦带。阴极射线发光光谱和角度分辨测量结合数值计算的光子能带结构确认强激子-等离子体激元耦合，导致显着的变化，在带图的混合晶格和能力，通过强耦合定制的带图。这里研究的混合plexcitonic晶体结构维持光波具有非常低的群速度。这些结果可用于设计基于强耦合效应的可调谐慢光结构，并为普激子拓扑光子结构的实现铺平了道路。
2022-01-25 cond-mat.mes-hall physics.optics
Sequential phase-locked optical gating of free electrons
本研究通过数值模拟探索慢电子与局域偶极等离激元的顺序相位锁定相互作用，利用初始光学相位、相位偏移和光偏振态作为控制参数，精确操纵电子波包的纵向与横向反冲，实现选择性加速或减速，为超快电子-光干涉测量和量子信息处理提供新途径。
2023-08-29 physics.optics quant-ph
Plasmon-field-induced Metastable States in the Wetting Layer: Detected by the Fluorescence Decay Time of InAs/GaAs Single Quantum Dots
本文报道了一种通过激子发射与金属岛偶极场之间的辐射场耦合来降低润湿层中激子自发发射速率的新方法。其结果是，长寿命的衰减过程中检测到的InAs/GaAs单量子点（QD）的发射。发现当从WL层（QD层）到金属岛的分离距离为约20 nm并且岛具有约50 nm的平均尺寸时，QD寿命可以从约1 ns变化到160 ns。相应的二阶自相关函数g（2）（τ）由反聚束变为聚束和反聚束特性，这是由于WL中存在长寿命的亚稳态。这种现象可以通过将金属岛视为偶极子近似中的许多偶极子振子来理解，这可能导致激子偶极子场与金属岛的感生偶极子场之间的相消干涉。
2020-07-20 cond-mat.mes-hall physics.optics
Plasmon Polaritons in Disordered Nanoparticle Assemblies
University of Texas at Austin（德克萨斯大学奥斯汀分校）
通过布朗动力学模拟和叠加T矩阵方法，研究无序对金属纳米颗粒多层组装体中等离激元极化激元形成和光-物质耦合的影响，发现结构无序展宽极化激元禁带和近场热点分布，但不改变极化激元色散和耦合强度。
2025-06-22 cond-mat.dis-nn cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Tailoring Near-Field-Mediated Photon Electron Interactions with Light Polarization
近年来，自由电子与近场的非弹性相互作用在操纵和整形自由电子波包方面引起了人们的关注。了解非弹性截面的性质和依赖于光学近场的偏振对于量子敏感测量的基本方面和新应用的发展都是重要的。在这里，我们调查的极化和空间分布的等离子体激元近场分布的塑造自由电子和控制的能量转移机制的影响，但也定制的电子反冲。我们特别指出，激发光的偏振可以作为一个控制旋钮，通过经验的电子反冲传播的加速和减速路径的方式。我们还证明了定制的局部等离子体激元的形状的可能性，通过将特定的纳米棒的安排，以增强或阻碍自由电子的横向和纵向反冲。我们的研究结果开辟了一条通往等离子体近场工程的路线，用于相干操纵和控制慢电子束，以创建所需形状的电子波包。
2022-11-17 physics.optics quant-ph
Giant Photoresponsivity of Mid-Infrared Hyperbolic Metamaterials in the Quantum Regime
我们探索基于纳米图案化双曲超材料（HMM）的宽带，广角中红外整流，由亚纳米隧道势垒分隔的两种不同的金属组成。由这种周期性沟槽阻碍支持的奇异慢光模式有效地将入射辐射捕获在大规模平行的金属-绝缘体-金属隧道结中，从而支持由光子辅助隧穿引起的超快光学整流。这导致高效的光子到电子转换，比传统的整流天线大几个数量级。我们的研究结果有望对红外能量采集器和等离子体光电探测器产生影响。
2015-09-23 physics.optics
Geometric quantization of localized surface plasmons
本文研究了光滑、任意形状、轴对称夹杂物的局域表面等离子体模式和介电常数本征值$ε$的准静态问题。我们发展了一个渐近理论的密集部分的频谱，即，接近累积值$ε=-1$，在该累积值处，平坦界面支持表面等离子体;在该状态下，场沿着表面快速振荡，并且以可比的尺度远离表面指数衰减。以$τ=-(ε+1)$为小参数，建立了界面附近窄边界层中本征函数的表面射线描述;确定了沿射线的快速相位变化以及缓慢变化的振幅和几何相位随局部几何形状的变化。我们专注于模式变化最适度的方位角方向，在这种情况下，表面射线是子午线弧，集中在两极。渐近匹配的发散射线的解决方案与有效的内部区域在附近的极点产生的量子化规则$$\frac{1}τ \sim \frac{πn }Θ+\frac{1}{2}\left(\fracπΘ-1\right)+o(1),$$其中$n\gg1$是一个整数和$Θ$的几何参数的产品的夹杂长度和其横截面半径沿其对称轴的倒数平均值。对于球体，为$Θ=π$，该公式将返回精确的特征值$ε_n=-1-1/n$。我们还证明了良好的协议与精确解的情况下，长椭球体。
2018-10-15 math-ph math.AP math.MP
Nonlocal effects in atom-plasmon interactions
本研究针对贵金属纳米结构几纳米尺度下的非局域量子效应，基于Feibelman d参数表征的表面响应函数，揭示了其对量子发射体Purcell增强、兰姆位移等的调控规律，为d参数的实验测定提供了途径。
2023-08-17 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci physics.optics
Dispersion features of complex waves in a graphene-coated semiconductor nanowire
在复波理论的框架下，研究了石墨烯包覆的半导体纳米线在太赫兹频段的色散特性。通过对特征方程的复数根得到的相位和衰减常数的特性分析，对波导模式进行了详细的分类。通过这样的处理，波被归因于“适当”或“不适当”波的组，其中它们的类型被确定为被捕获的表面波、快漏波和慢漏波以及表面等离子体。详细绘制了轴对称TM 0 n和TE 0 n模以及非对称混合EH 1 n和HE 1 n模的色散曲线，并分析了泄漏波的辐射区和俘获表面波的导行区。揭示了表面等离子体激元TM模传播的特殊性。表面等离子体存在的两个子区域被发现，它们出现在传播和反应波。正确地确定了高阶模的截止条件。
2018-02-23 physics.class-ph physics.optics
Engineering the Temporal Dynamics with Fast and Slow Materials for All-Optical Switching
所有的光开关都提供了先进的控制，在超快的时间尺度上使用光脉冲作为信号和控制。仅受材料响应时间的限制，这些开关可以以太赫兹速度运行，这对于全光信号处理和超快成像等技术驱动的应用以及频率转换和光子时间晶体等新型光学介质概念等基础研究至关重要。在常规系统中，切换时间由单个活性材料的弛豫响应确定，这对于动态调整是具有挑战性的。这项工作表明，全光开关的零到零响应时间可以通过在单个器件中组合所谓的快速和慢速材料来改变。当在具有慢响应时间的材料（即等离子体氮化钛）的ε-接近零的操作状态下探测时，开关表现出相对慢的纳秒响应时间。然后响应时间减小，达到更快材料（即，铝掺杂的氧化锌）的ENZ区域中的皮秒时间尺度。总体而言，开关的响应时间示出为在单个设备中变化两个数量级，并且可以通过探针信号与组成材料的相互作用来选择性地控制。通过控制多材料结构中的光-物质相互作用来调节开关速度的能力在全光开关设计中提供了额外的自由度。此外，所提出的方法利用非常稳健的较慢材料，并允许增强场强，而较快的材料确保超快的动态响应。所提出的开关时间的控制可以在多频带传输、光学计算和非线性光学中的关键应用中产生新的功能。
2022-08-27 cond-mat.mtrl-sci physics.optics
