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スパーサーまたはプラズモニックレーザーは、表面プラズモンポラリトンと呼ばれる電子振動に光エネルギーの一部を蓄えることにより、レイリーの光回折限界よりはるかに下の波長以下のスケールで光を閉じ込めることを目的としたレーザーの一種である。[1] [2] [3] [4] [5]この現象は、2003年にデイビッド・J・バーグマンとマーク・ストックマンによって初めて説明された。 [6]スパーサーという言葉は、「放射の誘導放出による表面プラズモン増幅」の頭字語である。 [6] このようなデバイスの最初のものは、2009年に3つのグループによって発表された。パデュー大学、ノーフォーク州立大学、コーネル大学の研究者によって作成された、金のコアとそれを囲む染色シリカゲイン媒体を持つ直径44ナノメートルのナノ粒子、 [7]バークレーのグループによる銀スクリーン上のナノワイヤ、[1] [4]パーデュー大学、ノーフォーク州立大学、コーネル大学のチームが閉じ込められたプラズモニックモードを実証したのに対し、バークレー大学チームとアイントホーフェン大学、アリゾナ州立大学チームはいわゆるプラズモニックギャップモードでのレーザー発振を実証した。2018年には、ノースウェスタン大学のチームが、ハイブリッド四重極プラズモンを光フィードバック機構として利用することで、高モード品質を維持できる調整可能なナノレーザーを実証した。[8]
スパーサーは、世界中の多くの一流研究室で研究されている、提案されたナノスケールの光場源です。スパーサーは、ナノスケールリソグラフィー、超高速光子ナノ回路の製造、単一分子生化学センシング、顕微鏡検査など、幅広い用途に使用できます。[5]
ネイチャーフォトニクスより：[9]
スパーザーはレーザーのナノプラズモン版ですが、（理想的には）光子を放出しません。従来のレーザーに似ていますが、スパーザーでは光子が表面プラズモンに置き換えられ、共鳴空洞がプラズモニックモードをサポートするナノ粒子に置き換えられています。レーザーと同様に、スペーシングメカニズムのエネルギー源は、外部から励起されるアクティブ（ゲイン）媒体です。この励起場は光学的であり、スパーザーの動作周波数とは無関係です。たとえば、スパーザーは近赤外線で動作しますが、ゲイン媒体の励起は紫外線パルスを使用して実現できます。スパーザーの表面プラズモンがレーザーの光子と同様に機能できるのは、関連する物理的特性が同じであるためです。まず、表面プラズモンはボソンです。つまり、光子と同様にベクトル励起であり、スピン1 を持ちます。次に、表面プラズモンは電気的に中性な励起です。そして 3 つ目は、表面プラズモンは自然界で知られている最も集合的な物質振動であり、最も調和的であることを意味します (つまり、相互に非常に弱い相互作用をします)。そのため、表面プラズモンは誘導放出を受けることができ、単一モードで大量に蓄積されます。これがレーザーとスペーザーの両方の物理的基礎です。
スパーザーの量子力学モデルの研究は、MOSFETトランジスタと機能的に類似したスパーザーデバイスを製造することが可能であることを示唆しているが[10]、これはまだ実験的に検証されていない。
参照
参考文献
- ^ ab Oulton, Rupert F.; Sorger, Volker J.; Zentgraf, Thomas; et al. (2009). 「深サブ波長スケールのプラズモンレーザー」(PDF) . Nature . 461 (7264): 629–632. Bibcode :2009Natur.461..629O. doi :10.1038/nature08364. hdl : 10044/1/19116 . ISSN 0028-0836. PMID 19718019. S2CID 912028.
- ^ Ma, Ren-Min; Oulton, Rupert F.; Sorger, Volker J.; et al. (2010). 「全内部反射による室温サブ回折限界プラズモンレーザー」. Nature Materials . 10 (2): 110–113. arXiv : 1004.4227 . Bibcode :2011NatMa..10..110M. doi :10.1038/nmat2919. ISSN 1476-1122. PMID 21170028. S2CID 10624501.
- ^ Noginov, MA; Zhu, G.; Belgrave, AM; et al. (2009). 「スパーサーベースのナノレーザーの実証」. Nature . 460 (7259): 1110–1112. Bibcode :2009Natur.460.1110N. doi :10.1038/nature08318. ISSN 0028-0836. PMID 19684572. S2CID 4363687.
- ^ ab Hill, Martin; Marell, Milan; Leong, Eunice; et al. (2009). 「金属-絶縁体-金属サブ波長プラズモニック導波路におけるレーザー発振」. Optics Express . 17 (13): 11107–11112. Bibcode :2009OExpr..1711107H. doi : 10.1364/OE.17.011107 . PMID 19550510.
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- ^ Stockman, Mark I. (2010). 「ナノスケール量子発生器および超高速増幅器としてのスペーサー」. Journal of Optics . 12 (2): 024004. arXiv : 0908.3559 . Bibcode :2010JOpt...12b4004S. doi :10.1088/2040-8978/12/2/024004. ISSN 2040-8978. S2CID 2089181.