来自西班牙光子科学研究所（ICFO）、葡萄牙米尼奥大学和美国麻省理工学院的研究团队利用石墨烯发现了一种能将光限制在一个原子厚度的空间中的新方法。将光线限制在如此狭小空间的能力可为超小型光电子器件铺平道路。

图为实验原理示意图

▍功能折衷

先前的工作表明，虽然金属可以将光压缩到衍射极限以下，但这种附加约束通常是以额外的能量损失为代价的。来自西班牙光子科学研究所（ICFO）、葡萄牙米尼奥大学和美国麻省理工学院的研究团队通过构建石墨烯-绝缘体-金属异质结构的方法解决了这个问题，该异质结构可以实现“限制”和损失之间的折衷。

▍原理

研究人员利用二维异质结构制作了纳米光学器件。他们利用石墨烯单层作为半金属，并在上面堆叠六方氮化硼（hBN）单层作为绝缘体。使用石墨烯是因为它可以以等离子体激元的形式引导光-电子与光相互作用的振荡。在石墨烯-hBN结构之上，研究人员沉积了一系列金属棒。

研究人员通过该装置发出红外光，并且观察金属与石墨烯之间的等离子体是如何传播的。他们缩小了金属和石墨烯之间的距离，观察光线的限制是否仍然有效，也就是说，它不会产生额外的能量损失。实验表明，即使使用单个hBN单层作为隔离物，等离子体也被光激发，并且能够在原子厚的通道内自由扩散。光被限制在金属和石墨烯之间的垂直方向上（如传播等离子体激元）。

▍实验结果

ICFO研究员David Alcaraz Iranzo表示：“起初我们试图寻找一种激发石墨烯等离子体的新方法。过程中，我们发现禁闭比以前更强烈，额外损失最小。所以我们决定以惊人的结果去达到一个原子的极限。”

研究人员能够通过施加电压来打开和关闭等离子体激元传播。利用这种能力，他们演示了在小于1纳米的通道中引导光的控制。

▍应用前景

这种光场禁闭的转变能够以前所未有的方式进一步探索极端的光与物质相互作用。

ICFO教授Frank Koppens表示：“石墨烯让我们惊讶：没有人认为将光限制在一个原子的极限是可能的。它将开放一套全新的应用，例如光通信和低于一纳米的传感等。”

这种异质结构可以为纳米光子学提供强大而多功能的平台。二维材料的原子尺度“工具箱”可用于将光子和电子都控制在纳米尺度的器件，并可能促成新器件的研发，如超小型光开关，探测器和传感器。

文献链接：

D. Alcaraz Iranzo el al., “Probing the ultimate plasmon confinement limits with a van der Waals heterostructure”,Science 20 Apr 2018: Vol. 360, Issue 6386, pp. 291-295. DOI: 10.1126/science.aar8438

（本文来源：微信公众号大国重器；）

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