光學元件的小型化是實現光的最終時空控制的關鍵。大量研究人員透過改進新興的光學技術實現光學元件小型化的目標，比如增強和虛擬現實、動態全息、LIDAR（光檢測和測距）和高解析度波前和極化整形器。亞波長奈米天線是實現這一目標的有利候選材料。它們的共振特性允許與光高效相互作用，並且可以在超小、亞波長尺度上區域性增強光的操縱、檢測或調製。超表面的出現提供了在奈米尺度上實現基於等離子體的空間相關靜態光控制的工具。這些包括超薄光學元件，例如由金屬製成的超薄光學元件以及用於廣義幅度和相位控制的電介質。整合到動態電光元件中需要透過奈米天線在外部刺激下動態改變光學特性來進行主動時空光控制。目前主要有兩種方法，一種可能性是在接近相變的情況下操作奈米天線，從而產生可切換的等離子體共振和具有高對比度的有源超表面。這種直接修改依賴於由化學反應、氣體暴露或溫度激發的結構或化學材料轉變。它們通常很慢，可逆性不完全，並且對與電光裝置的整合構成了重大挑戰。另一種方法是周圍介質的電或溫度驅動變化，調整共振強度、位置和線寬，這些特性限制了主動超表面應用中可實現的對比度。然而，迄今為止還沒有實現可以在高頻下完全開啟和關閉的奈米天線諧振。
鑑於此，來自於德國斯圖加特大學的HaraldGiessen教授課題組從金屬聚合物中實現了等離子體奈米天線，其在金屬狀態下顯示出明顯的局域等離子體共振。電化學驅動聚合物從光學金屬到絕緣體的轉變，等離子體共振可以透過施加僅±1伏的交流電壓以高達30Hz的影片速率頻率完全關閉和重新開啟。透過使用這個概念，研究人員展示了具有100%透射對比度的電可切換光束控制超表面。該方法將有助於實現基於超高效等離子體的整合有源光學器件，包括高解析度增強和虛擬現實技術。相關研究成果以題為“Electrically switchable metallic polymer nanoantennas”發表在最新一期《Sciecne》期刊上。
【金屬聚合物奈米天線】
在本文的電可切換等離子體系統中，奈米天線由金屬聚合物製成，可以透過施加的電壓進行電切換（圖1A）。當施加+1V的電壓時，聚合物被電化學摻雜和氧化，從而導致高載流子密度和金屬光學特性。因此，聚合物奈米天線被開啟並表現出強烈的等離子體奈米天線共振。相反，在-1V的施加電壓下，載流子密度顯著降低，聚合物變得絕緣。奈米天線關閉，沒有觀察到等離子體共振。ON和OFF狀態之間的電切換髮生得非常快，允許30Hz的影片速率切換頻率。
奈米天線概念的核心是電化學驅動聚合物聚（3,4-亞乙基二氧噻吩）：聚苯乙烯磺酸鹽（PEDOT：PSS）從金屬到絕緣體的轉變。圖1B描繪了介電函式ε1的實部PEDOT:PSS處於金屬（紅色）和絕緣（藍色）狀態，表明該材料具有出色的電學和光學效能。圖1B的插圖說明了當PEDOT:PSS從其中性（絕緣）狀態變為其氧化（雙）極化子（金屬）狀態時發生的氧化還原反應。
圖 1. 由具有金屬到絕緣體過渡的金屬聚合物製成的電開關奈米天線的概念圖
研究人員使用具有三電極設定的電化學電池在液體環境中進行電切換（圖2A）。測量了長度L=300 nm的聚合物奈米天線陣列對參考電極施加不同電壓時的光譜響應（圖2B）。奈米天線在乾燥狀態下表現出約2.4 μm的等離子體共振，因為PEDOT:PSS幾乎完全氧化，因此是金屬的。由於（雙）極化子的存在，施加+1V會觸發PEDOT:PSS的進一步氧化，並具有聚合物的最大摻雜水平和電荷載流子密度。當施加-1V的負電壓（藍色曲線）會使天線諧振完全關閉，沒有剩餘的諧振光相互作用。
作者進一步對金屬聚合物奈米天線的開關速度進行了研究（圖2C）。圖2C中的左圖說明了頻率為f=1 Hz時的前10個開關週期，確認了ON和OFF狀態之間的完全轉換而沒有明顯的退化。上升（或下降）時間定義為強度分別上升（或下降）在10%和90%之間的時間步長（圖2D中的紅色）。我們獲得20.8 ms的上升時間(τrise)和9.1 ms的下降時間(τfall)，因此佔空比時間(τ)為29.9 ms，相當於最大開關頻率f=33 Hz。影片速率頻率為f=30 Hz的等離子聚合物奈米天線的30次電開關迴圈如圖2C的右圖所示。
圖 2. 金屬聚合物奈米天線的影片速率電開關
【金屬聚合物超表面】
研究人員展示了一種用於超高對比度主動光束控制的可電切換金屬聚合物超表面，即具有主動控制入射光進入固定角度範圍的能力的超表面。基本工作原理如圖3A所示：用圓偏振光束照亮超表面。根據聚合物奈米天線的狀態，部分入射光被衍射，顯示出相反的旋向性。該金屬聚合物超表面的關鍵特徵是能夠完全以電方式開啟和關閉。因此，對比度（定義為超表面開啟和關閉狀態下的衍射強度之比）達到100%。金屬聚合物奈米天線（超表面的構建塊）的TM（橫向磁共振）共振光譜在2.65 μm處達到峰值（圖3B）。聚合物超表面的掃描電子顯微鏡(SEM)影象如圖3C所示。實驗方案如圖3左側D和E所示。外加+1 V的電壓開啟超表面，觀察到等離子體聚合物超表面的衍射（圖3D，右）。相比之下，-1 V的施加電壓使超表面完全關閉，+10.2°的衍射光束完全消失（圖3E右）。衍射效率為1.1%。到目前為止，光束轉向超表面在其開啟狀態下的光譜對比度約佔86%，而在關閉狀態下為100%（圖3B）。金屬聚合物奈米天線具有另一個有趣的特性：連續的電化學摻雜導致介於ON和OFF狀態之間的中間狀態；因此，可以隨意修改衍射光束的強度（圖3F）。
圖 3. 用於超高對比度主動光束控制的金屬聚合物等離子體超表面
【總結】
本文製備的金屬聚合物可用於等離子體奈米天線共振的電切換。等離子體共振可以完全開啟和關閉，開關速度高達30Hz（影片速率），±1伏的低開關電壓（相容互補金氧半導體）和100%的傳輸調製深度。結果可以應用於奈米光子裝置，例如用於增強和虛擬現實成像應用的裝置。這種可電切換的超表面和等離子體材料將使有源奈米光子技術的發展成為可能。
