利用电磁感应透明相干控制表面等离子体共振

In this project we study the electromagnetically-induced transparency (EIT) and its applications in the coherent control of surface plasmon resonance. In contrast with the previouse studies, in this project we study the EIT at the surface of a media, and study its applications in the coherent contol of the surface plasmon polariton(SPP). In contrast with ordinary SPP, here the steep dispersion of the EIT medium lead to the extreme sensitivity of the parameters of the SPP to the shifts of atomic-levels of the EIT medium (the shifts are induced by external fields),and lead to unique properties of the SPR system. This novel SPR system can be used for ultrasensitively detecting the quantum properties of matters and optical fields, and therefore be applied to novel chemical and biological sensors,magnetometers,and quantum information processing,ete. We also study a new method of exciting SPP, i.e., direct excitation of SPP by a coherent field at the uper-surface of a metal film being on an EIT-medium substrate. Prism is unnecessary in this method, and the new excitation way leads to a lot of new phenomena, and provides a new idea of realization of more compact nanophotonic devices. This project provides scientific basis for researches on nano-photonic devices, novel sensors, and devices for and quantum information processing devices. .

本项目研究发生在界面的电磁感应透明（EIT）效应及其在相干控制表面等离子体共振（SPR）上的应用。EIT效应使得共振激发产生的表面等离子体激元（SPP）与通常情况有显著不同，例如 EIT介质极陡的色散梯度造成这种SPP的特征参量对EIT原子的能级移动极其敏感，这使共振激发现象变得极不寻常。这种新型SPR系统可以应用于物质和光场的量子性质的灵敏检测手段，从而在新型化学生物传感器、磁强计、及量子信息处理等方面获得应用。我们还首次研究激发SPP的一种新方式：即用EIT介质作金属膜衬底，用相干光直接入射到金属膜上表面而在下表面激发出SPP（不需要棱镜）。这种新的激发方式导致一系列新现象，并为SPP纳米光学器件的紧凑化提供了一条新思路。本项目的研究为新型纳米光子学器件、新型传感器、及量子信息处理器件的研究提供理论基础。

表面等离子体激元（SPP）是在金属表面附近沿表面切线方向传播的一种电磁模式。由光共振激发SPP的现象叫做表面等离子体共振（SPR）。 众所周知，不能用光在光滑平整的金属表面直接激发表面等离子体激元（SPP），这是由于光波与SPP波的波矢不匹配。通常的解决方案是引入一个棱镜或其它耦合器。本项目提出了另一个完全不同的方案，即依靠一层厚度为微米量级的介电常数小于1的薄膜来修饰SPP，使得在没有任何耦合器的情况下由光激发SPP，所用的结构非常简单，仅由一层厚度为几十纳米的金属薄膜和一层厚度为微米量级的衬底即可实现从光到SPP的转换。当一束光从真空或空气入射到金属薄膜的上表面时，在金属薄膜的下表面便能够产生SPP. 衬底介质的选取是一个关键问题。本项目经过理论研究方向，一些特殊的介质能够充当这种衬底。本项目得到的关键数据包括：1.可以选择一些特殊的固体材料，如无定形氧化铝作为衬底，在上面沉积几十纳米厚度的金属钛薄膜，便可以在远红外波段（波长10.6微米附近）实现无耦合器激发SPP； 2. 可以选择电磁诱导透明（EIT）介质充当衬底介质，实现无耦合器激发SPP。对 EIT 情况，透明频率窗口处陡峭的色散关系能够产生一系列有趣的现象，例如极强的多普勒效应，于是运动介质能够导致单向导通的SPP（只支持一个方向的SPP模式）和极其不对称的SPR谱线。 本项目提出的原理如果得到实验验证，将改变人们关于SPP和SPR的一些认识，并为新型光子学器件、新型传感器及量子信息处理器的研究奠定理论基础。