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美团队首次实现低温下对石墨烯等离子激元的运动和传播过程的直接成像
李明 2018-05-29
导语

美国研究团队在石墨烯中等离子激元研究中获得重要突破。

美国哥伦比亚大学工程和应用科学学院的研究团队在石墨烯中等离子激元研究中获得重要突破,将光限制在纳米级,并发明了全新“自制”低温近场光学显微镜,首次实现在各种温度下对石墨烯等离子激元的动态和传播过程的直接成像,温度可低至零下250摄氏度。研究成果发表在《自然》杂志上。

图:表面等离子激元的最佳图形展示依赖石墨烯表面上电子密度的波动(CREDIT: DMITRI BASOV/COLUMBIA UNIVERSITY)

▍背景需求

随着电子设备和电路持续向纳米尺寸减小,以极低功耗和极小能量损耗在单芯片上传输数据的能力面临的挑战越来越艰巨。在过去十年中,将光挤进小器件和电路中已经成为纳米光电研究人员的重要目标。在金属表面的电子振荡,即表面等离子激元,变成了高关注度研究领域。等离子激元是金属中光和电的混合。如果研究人员可利用该纳米光,他们将能够改进感知、亚波长波导和信号的光传输。

▍面临挑战

哥伦比亚大学物理学教授Dimitri N. Basov、物理学教授Cory Dean和机械工程学教授James Hone将在石墨烯领域数年的研究积累集聚在一起。石墨烯是单原子厚的材料,是新型光电材料中最具潜力的候选者之一。石墨烯的光学特性可以很容易地调谐,可以非常快的速度改变。但是在不引入不想要散射的情况下,在石墨烯中实现纳米光非常困难。

▍核心发现-将光限制在纳米级

研究人员研发出了一种实用技术来将光限制在纳米级,在石墨烯中形成等离子激元,能够以光和移动电子混合激发的方式在材料中传播。这些等离子激元模式能够将电磁辐射或光的能量限制在纳米级。Basov说:“我们基于温度的研究使我们能够对石墨烯中等离子激元传播的根本物理学原理进行直接的物理观察。这种观察不可能在此前室温下进行的纳米成像中获得。在多年的尝试失败后,我们对于此次发现感到非常惊奇。密集纳米光能够在石墨烯表面穿越数十微米的距离,而且没有不想要的散射。该限制了纳米光传输范围的物理现象,是我们研究的本质性发现,并且可能带来在传感器、图像和信号处理的新应用。”

▍核心突破—自制独特显微镜

此前的困难是如何使用超高空间分辨率来实现这些波的可视化,这样研究人员才能在各种温度下研究等离子模式的性能。Basov纳米光电实验室的博士后研究科学家Alexander S. McLeod制造出了一种独特的显微镜,能够支持团队以非常高的分辨率研究等离子激元波,同时他们将石墨烯冷却到低温。降低温度使得他们能够逐个“关闭”各种散射机制,研究哪些机制是相关的。

McLeod说:“现在我们全新纳米成像能力部署到低温下,我们能够直接看到石墨烯中光和电共同激发的全部波传播。通常在物理学中,正如在生活中,真正看到就是相信。这些波突破记录的传播记录显示他们将在下一代光电器件中往复传输信号和信息。”

▍研究意义

此次研究首次展示了石墨烯中等离子激元传播的基础性限制。研究团队发现石墨烯等离子激元在数十毫米弹道性传播,贯穿整个器件。这些等离子激元模式限制在自由传播光所占空间数百至数千分之一的空间内。

石墨烯中的等离子激元可以通过外部磁场调谐和控制,这给予了超过金属表面等传统本质上不能调谐的等离子激元媒介的一个大优势。而且,现在所发现的石墨烯中等离子激元的寿命是金属中等离子激元寿命的10到100倍,同时能够传播更长的距离。这些特性为石墨烯作为下一代光电电路等离子激元媒介的巨大优势。

▍应用

Hone说:“我们的结论建立了石墨烯位于红外等离子激元最佳候选材料之列,在成像、感知、纳米级操控光线领域都有应用。而且,我们的发现揭示了石墨烯中限制等离子激元传播过程的基础性物理学,这些发现能够移除未来光电器件中多种纳米限制光的长距离传输中仍存在的发展障碍。”

▍下一步工作

现有研究是聚焦于控制和操控在纳米光电石墨烯器件中受限等离子激元一系列低温研究的开始。研究团队现在使用低温纳米成像来探索全新等离子效应,如电致等离子反射和调制、拓扑手性等离子,以及最近发现的旋转双层石墨烯中“魔角”系统中的超导等离子体。

▍资金支持

该研究由美国能源部的基础能源科学项目、空军科学研究办公室、海军研究办公室提供资金支持。 

参考文献

G. X. Ni, et al, "Fundamental limits to graphene plasmonics." Naturevolume 557, pages530–533 (2018), doi:10.1038/s41586-018-0136-9

(本文来源:微信公众号大国重器;)

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作者 李明

博士生

北京航空航天大学

活跃作者
  • 爱因斯坦 科研工作者 北京航空航天大学 博士
  • 梅西 本科生 北京工业大学 本科
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