基于超构表面的等离激元全光开关，实现最快全光调制速度！-感算商城

麦姆斯咨询获悉，近日，厦门大学物理科学与技术学院杨志林教授课题组联合广东工业大学李明德教授团队，提出并实验验证了一种界面主导的超构表面等离激元超快全光开关，基于该机制，实验上首次实现了约50飞秒量级的全光调制速度，这是迄今为止速度最快的全光SPR开关。相关成果以“Sub-100 Femtosecond All-Optical Modulation Beyond Electron–Phonon Limits”为题，在线发表于Nano-Micro Letters期刊。

随着光信息技术向超高速与高并行度方向持续演进，传统依赖载流子输运与热弛豫过程的光调控机制正逐渐逼近其内在物理极限。如何在飞秒时间尺度实现对纳米光场的主动调控，已成为制约超快光子计算、光信息处理及时间门控等前沿方向发展的关键科学问题。尽管表面等离激元体系具备局域光场增强与高效热载流子产生能力，但其响应普遍受限于电子-声子耦合主导的皮秒尺度的动力学弛豫过程，长期以来都难以突破亚百飞秒的光开关门槛。

针对上述挑战，厦门大学与广东工业大学联合团队另辟蹊径，理论提出并实验验证了一种界面主导的等离激元超快全光开关。该策略通过构建银–单晶硅界面增强的等离激元超构结构，能实现在电子-电子散射与电子-声子耦合尚未建立之前即触发界面非平衡载流子的快速转移过程。该过程能在飞秒时间尺度上重整界面区域的有效电磁本构响应，使光调控机制由传统“热弛豫受限”路径转变为“界面电子过程主导”路径。

图1. 热电子调控示意图与超构表面扫描电子显微镜图像。a.表面等离激元弛豫动力学示意图。b. SSDMA中表面等离激元共振激发的非热平衡电子实现快速无损弛豫路径示意图。c. SSDMA结构示意图，突出显示单晶硅纳米圆盘与其上方银纳米圆盘的复合排布结构。d. 超构结构的扫描电子显微镜图像。

该研究围绕界面主导的能量转移机制，首先构建了一种银-单晶硅界面增强的等离激元超构结构（见图1）。通过精确调控纳米尺度电磁场分布，实现了等离激元能量局域区域与金属-半导体界面的高度空间重合，从而显著压缩热载流子输运路径并提升界面提取效率。在此基础上，非热平衡电子在电子-电子散射与电子-声子耦合尚未充分建立之前，可完成跨界面转移，进而诱导界面介电函数在飞秒时间尺度发生瞬态重整，从而构建出一个由界面过程主导的超快光学调制通道。从图2的瞬态光谱与动力学结果可以看出，在不同泵浦与探测组合下体系均表现出一致的亚百飞秒响应特征。研究结果表明，超快响应并非来源于特定激发条件，而是源于结构中普适存在的界面调控机制，证实了界面非平衡电子过程在瞬态电磁响应中的主导作用。该工作的核心价值在于从结构设计与动力学调控协同的角度出发，提出了一种具有普适意义的全光调控范式：通过界面局域电磁场工程与非平衡载流子动力学的协同设计，实现瞬态电磁响应路径的主动重构。

图2. 瞬态光学测量结果。a–c为在660 nm、572 nm和400 nm激发下的近场电磁分布模拟结果。d–f为对应泵浦条件下在 450–675 nm范围内的瞬态反射谱（最大延迟时间 5 ps）。g–i分别为不同泵浦/探测组合下的瞬态动力学曲线，其中g、h插图红线为IRF与洛伦兹函数卷积拟合结果。结果表明，该体系在不同激发条件下均呈现一致的超快响应行为，支持界面主导的调控机制。

该论文第一完成单位为厦门大学物理科学与技术学院。物理科学与技术学院2023届博士生高稔现、2025届博士生董骁翔及汕头大学李嘉毓博士为共同第一作者，杨志林教授与广东工业大学李明德教授为共同通讯作者。该工作得到国家科技创新2030、国家自然科学基金重大研究计划等项目的支持。