前言与背景
金属纳米结构中的电子能产生集体相干振荡，即局域表面等离子体。当入射光频率与这些振荡的固有共振频率匹配时，振荡被放大，产生强电磁场，适用于纳米光学和单分子传感，并可研究物质的非线性光学响应。在强电磁场作用下，电子振荡表现出非线性特征，不再保持谐波运动，而是以驱动频率的倍数频率振荡，类似经典非谐波振荡器。以往，由于难以直接解析时间域内的相干电子振荡，光与物质的相互作用主要依赖频谱测量研究，如吸收光谱、瞬态反射率以及二次和三次谐波产生的非线性迹象。尽管超快技术已用于监测纳米尺度上的等离子体动力学，但这些方法仍无法捕捉到频率依赖的等离子体振荡相位信息。
最近研究表明，调整驱动激光脉冲的载波包络相位（carrier-envelope-phase, CEP）可控制等离子体纳米器件中的光辅助隧穿电流，但直接采样超快集体电子振荡及其地方电场的时间域特性一直未见报道。这对实现超高频光子功能、超快切换和全光信号处理至关重要。该研究展示了一种方法，通过使用超短激光脉冲，直接在时间域内追踪强光相互作用下量子纳米器件中诱导的非线性光学响应。该器件采用金蝴蝶结纳米天线阵列设计，结隙在几纳米宽。通过监测光辅助隧穿电流来记录电子振荡，显示了等离子体振荡对驱动激光电场的非即时响应，具有约8飞秒的T2衰减时间。此外，研究还实现了时间域内等离子体振荡的相位控制，为超快光电器件的设计提供了新思路。
研究内容
1. 相干集体电子振荡的实时采样
利用光辅助隧穿技术，在时间域内直接追踪纳米阵列中的等离子体振荡和非线性电子振荡。实验装置包括多个结隙宽度为几纳米的金蝴蝶结天线阵列（图1b），使用两个载波频率相差约700 Hz、持续时间约为7 fs的超短激光脉冲，通过声光频移器（acousto-optic-frequency-shifter, AOFS）生成并聚焦于纳米天线的结点处。对于激光脉冲引起纳米天线中等离子激元振荡相位的表征如图1d所示。
研究发现，等离子体振荡对驱动激光脉冲电场的响应并非即时，图2a表明由激光脉冲诱导的等离子体振荡，其周期约为2.6 fs，并表现出一个长而不对称的约8 fs的T2衰减时间。此外，等离子体振荡的相位特性非常色散，图2b通过傅里叶变换揭示了振荡的光谱形状，与有限元模拟结果高度一致，并展示了激光脉冲在纳米天线结点处频率分布和持续时间的明显变化，共振频率附近的相位差接近π弧度。图2c比较了计算得到的等离子体场与驱动激光脉冲电场，显示等离子体振荡峰值相对于驱动激光电场有大约3 fs的延迟，验证了简单阻尼谐振子模型的有效性。
2. 揭示光-物质相互作用的线性和非线性贡献
当入射激光脉冲的场强较高时，由于强等离子体增强的光-物质相互作用，纳米天线结的高阶极化响应引起非线性电子振荡。当总脉冲能量约为200 pJ时，可以观察到由二次非线性极化响应引起的电子振荡的时间演化（图3a, b）。通过锁相检测在两倍偏移频率（2f0）处测量光电流信号，可以捕捉到这些二次非线性电子振荡的时间特征及其完整的相位信息。随着激光脉冲能量增加到约300 pJ，三次非线性电子振荡变得显著，对应于三光子吸收过程，振荡周期约为0.9飞秒；二次振荡则对应于两光子吸收，周期约为1.3飞秒（图3c, d）。图3e展示了光辅助隧穿电流随入射激光脉冲场强增加的变化。在双对数图中，总光电流的斜率从低强度下的线性行为（斜率为1）逐渐转变为高强度下的二次行为（斜率为2），表明在线性极化响应的基础上出现了显著的非线性极化响应。此外，还比较了在不同锁相检测频率下测得的光电流变化，成功分离了单光子和双光子过程的贡献。
3. 纳米天线结中的光辅助电子隧穿
文中进一步探讨了器件光电流产生的机制。通过功率标度实验，确定了一次和两次光子过程的贡献，排除了激光场驱动隧穿机制的可能性。实验证明，当激光脉冲激发等离子体振荡后，电子可以被激发到高于费米能级约1.6 eV的位置，但仍然远低于金的隧穿势垒（约5 eV），因此不能引起光电发射。相反，通过简单模型解释，电子通过单光子、双光子或三光子吸收机制被激发，并通过减少的有效隧穿势垒隧穿到另一侧。图4展示了光电流信号随偏置电压的变化，表明这种隧穿过程具有高度非线性依赖关系，验证了光辅助隧穿机制的合理性。
4. 局域等离子体振荡的实时相位控制
研究人员展示了通过调整驱动激光脉冲的载波包络相位（CEP），可以在时间域内直接控制等离子体振荡的相位。实验中，通过改变一个激光脉冲（pulse-1）的CEP，而保持另一个脉冲（pulse-2）固定，实现了对诱导的等离子体振荡相位的相干调制。CEP的变化控制了激光诱导极化的CEP，从而相干地调制了驱动等离子体振荡的CEP。图5展示了四个代表性CEP值（0, 0.5π, π, 和 1.5π）下的等离子体振荡时间演化，清楚地显示出相位控制的效果，即振荡最大值的线性移动。这一成果为实现片上光波电子学中的超快调制和信号处理提供了新的技术途径，展示了在环境条件下进行相干电子振荡激发、控制和读出的可能性。
总结
这项工作探讨了金属纳米结构中电子集体相干振荡（即局域表面等离子体）的特性及其应用潜力。利用光辅助隧穿，在金蝴蝶结天线纳米器件中直接追踪到等离子体振荡和非线性电子振荡，揭示了8 fs的T2衰减时间和显著的相位色散。通过零差拍频技术和功率标度实验，量化了光与物质相互作用中的线性和非线性贡献，展示了光电流从线性到二次行为的转变。实验验证了光辅助电子隧穿机制的高度非线性依赖关系，并通过调整激光脉冲的载波包络相位（CEP），实现了等离子体振荡相位的时间域控制，为超快调制和片上光波电子学的发展提供了重要依据和技术手段。
原文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-024-45564-w
撰稿人：邱智鑫
校稿人：方朝
编辑：刘玉研
