博文
中国半导体十大研究进展候选推荐（2020-023）———通讯波段的高性能钠基等离激元纳米激光器
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工作简介
微型半导体激光器兼具小体积、高调制速度和低功耗的优势，一直是半导体光电器件领域的核心研究方向。但是，常规半导体激光器微型化受限于光学衍射极限，其特征尺寸只能至光波长量级。等离激元纳米激光器突破了这一瓶颈，可实现深亚波长尺度的光场局域，高于100 GHz的调制速度和低于10 fJ 量级的单位比特功耗。然而，等离激元的激发伴随着金属的吸收损耗。目前常用的贵金属材料优化已接近其理论极限，制约了等离激元纳米激光器性能的进一步提升。
针对这一问题，南京大学-北京大学联合研究团队另辟蹊径，聚焦碱金属钠，发展了液态金属可控冷却旋涂技术，结合金属-绝缘体-半导体间隙等离激元模式的优化设计，首次制备出了高质量的金属钠-InGaAsP量子阱复合微结构并实现了近红外通讯波段纳米激光室温激射。理论计算和实验结果表明，钠的吸收损耗只有单晶银的一半不到。低损耗的钠基等离激元结构有效地增强了光与物质相互作用，在室温下，钠基等离激元纳米激光器的阈值仅为140 KW/cm2，创造了通讯波段同类纳米激光器阈值新低。同时，得益于有效的封装保护，该器件在大气环境下6个月后仍然保持了良好的工作性能。
图1. 钠基等离激元结构制备工艺(a)、品质因数(b)，以及钠基等离激元纳米激光器场分布(c)与室温激射阈值特性(d)。
相关成果由南京大学、北京大学等多家单位合作完成，于2020年5月28日以“Stable and high-performing sodium-based plasmonic devices in the near-infrared”为题，在线发表于《自然》（Nature）上。研究生汪洋、于健宇、毛逸飞与陈绩为并列第一作者，朱嘉教授、马仁敏研究员、周林副教授、祝世宁院士为论文的通讯作者。
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主要作者简介
朱嘉教授长期从事基于微纳结构的光热调控领域的研究。在Nature、Nature系列、Science系列、PNAS、National Science Review等国际高影响力学术期刊发表论文100余篇，他引超过9000次，授权专利10项，受邀在国际会议及世界著名学府做过70多场大会、特邀专题报告。英国皇家化学学会会士，杂志Nanophotonics的责任编辑。曾获陈嘉庚青年科学家奖（2018）、美国光学学会青年科学家奖（2017）、江苏省五四青年奖章（2017）、杜邦青年教授奖（2016）、饶毓泰基础光学奖优秀奖（2016）、麻省理工技术评论全球青年创新人物奖（2016）等。
2009年获北京大学博士学位，2009年至2014年在加州大学伯克利分校任博士后，之后加入北京大学任教。
马仁敏研究员的研究兴趣包括激光物理与器件、纳米光子学、光与物质的相互作用、非厄米和拓扑光子学。发表了50多篇论文，其中11篇发表在《科学》、《自然》及其子刊上，2篇发表在《物理评论快报》上。曾获全国百篇优秀博士学位论文奖，2018年中国光学十大进展，2018年美国物理学会Physics十大进展。
周林副教授聚焦金属-介质复合微结构中的光传输、耦合效应和能量转换等问题，研究方向和兴趣为等离激元光子学与热超构材料。共发表学术论文60余篇，其中以第一或通讯作者在Nature、Nature Photonics、Nature Materials、Science Advances、PNAS、National Science Review等重要期刊发表论文近30篇。
祝世宁教授长期从事微结构功能材料和物理、非线性光学、激光物理与量子光学方面的研究，在微结构材料的设计、制备、性能表征、新效应研究和器件研制方面取得系统成果，作为主要完成人之一所完成的“介电体超晶格的设计、制备、性能与应用”项目获2006年国家自然科学一等奖。2019年获江苏省首届“基础研究重大贡献奖”。
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原文传递
详情请点击论文链接: https://www.nature.com/articles/s41586-020-2306-9
https://blog.sciencenet.cn/blog-3406013-1259030.html
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