等离子激元

等离子激元或纳米光子学是指在纳米尺度上沿金属-电介质界面生成、检测和操纵光频率的信号。

在光子学的启发下，等离子体学顺应了光学设备小型化的趋势（另见纳米光子学），并在传感、显微镜、光通信和生物光子学中得到应用。

等离子激元通常利用所谓的表面等离子体（SPPs），这是相干的电子振荡，与电磁波一起沿着电介质（如玻璃、空气）和金属（如银、金）的界面移动。

SPP模式被强烈地限制在它们的支持界面上，产生了强烈的光-物质相互作用。特别是，金属中的电子气体与电磁波一起振荡。

由于移动的电子被散射，等离子体信号的欧姆损耗通常很大，这就限制了信号传输距离在亚厘米范围内，除非使用混合光子导光网络，或等离子体增益放大。

除了SPPs，由金属纳米粒子支持的局部表面等离子体模式被称为等离子体模式。这两种模式的特点是动量值大，能使光子状态的局部密度得到强烈的共振增强，可以利用它们来增强光电子器件的弱光效应。

目前正在努力将质子学与电路整合，或在电路模拟中，将电子学的尺寸效率与光子集成电路（PIC）的数据容量相结合。

虽然用于电路的CMOS节点的门长在不断减少，但传统PIC的尺寸却受到衍射的限制，从而构成了进一步集成的障碍。

等离子激元可以弥补电子和光子元件之间的这种尺寸不匹配。同时，光子学和等离子体学可以相互补充，因为在适当的条件下，光信号可以转换为SPPs，反之亦然。

使质子电路成为可行的现实的最 大问题之一是表面质子的传播长度短。通常情况下，表面质子在阻尼减弱信号之前的传播距离只有几毫米。

这主要是由于欧姆损失，电场越深入金属就越重要。研究人员正试图通过研究各种材料、几何形状、频率和它们各自的特性来减少表面等离子体传播的损失。

新的有希望的低损耗等离子体材料包括金属氧化物和氮化物以及石墨烯。更多设计自由度的关键是改进的制造技术，它可以通过减少表面粗糙度进一步促进损失的降低。

另一个可以预见的障碍是等离子体电路必须克服的热量；等离子体电路中的热量可能会也可能不会超过复杂电子电路产生的热量。

最近有人提出，通过设计支持被困的光学涡流来减少等离子体网络中的热量，这些涡流使光功率流在粒子间的空隙中循环，从而减少吸收和欧姆加热。

除了热量之外，在电路中改变等离子体信号的方向而不大幅降低其振幅和传播长度也是很困难的。解决弯曲传播方向问题的一个巧妙办法是使用布拉格镜，使信号在一个特定的方向上有一定的角度，甚至作为信号的分流器发挥作用。

最后，质子学在热发射操纵和热辅助磁记录方面的新兴应用，利用金属中的欧姆损耗来获得具有新的增强功能的设备。

最佳的质子波导设计努力使表面质子在质子电路中的限制和传播长度最大化。表面等离子体极子的特点是有一个复杂的波矢，有平行于和垂直于金属-介质界面的分量。

波向量分量的虚部与SPP的传播长度成反比，而其实部定义了SPP的约束。SPP的色散特性取决于组成波导的材料的介电常数。

表面等离子体极子波的传播长度和限制是成反比的。因此，更强的模式限制通常会导致更短的传播长度。一个实际可用的表面等离子体电路的构建在很大程度上取决于传播和限制之间的妥协。

最 大限度地提高封闭性和传播长度有助于减轻选择传播长度而不是封闭性的缺点，反之亦然。