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新闻

Nature:石墨烯又创新纪录,等离激元寿命极限突破!



第一作者:G. X. Ni

通讯作者:D. N. Basov

第一单位:哥伦比亚大学(美国)


研究亮点:

  1. 发明了一种新型石墨烯光学器件,在低温获得了长寿命的等离激元,实现了在低能量损耗条件下对光场的紧密限域。

  2. 将扫描近场显微镜应用到低温领域,并为其对激子的探测带来了希望!


表面等离激元是光子和电子集合振荡形成的一种电磁波,具有将光场限域在纳米尺度的能力,对纳米光子器件的微型化具有重要的应用前景。传统的等离激元激发主要来源于金银等币族金属,由于传播过程中存在大量的能量损失,等离激元一直面临寿命不长,传播不远的困境。对光场的限域越紧实,寿命越短,这个矛盾极大地阻碍了等离激元在纳米光学器件领域的实际应用。


石墨烯的问世,为降低等离激元传播过程中的能量损失,延长寿命带来了新的希望。虽然石墨烯品质不断提高,但是等离激元能量损失问题依然没有有效解决。


有鉴于此,哥伦比亚大学D. N. Basov课题组利用低温激发高迁移性石墨烯装置,获得了长寿命的等离激元,实现了在低能量损耗条件下对光场的紧密限域。


图1. 石墨烯低温等离激元激发


研究人员发明了一种新型的高迁移率的Au/hBN/graphene/hBN包裹型石墨烯器件,定制了一台适合低温使用的扫描近场光学显微镜。在液氮低温条件下,他们利用金属针尖在器件内部激发等离激元,然后扫描整个器件,对等离激元在器件边缘和器件表面的微结构反射产生的干涉图案进行成像。


研究人员在整个器件取区域都获得了明显的等离激元干涉条纹,这些洗衣板样式的特征性条纹点亮了整个石墨烯器件。等离激元可以传播长达10 μm之远,寿命可达到1.6 ps(理论寿命可达到12 ps),限域光的距离小于自由空间波长的1/60,等离激元的质量因子高达130,打破了历史记录。


图2. 低温成像


表1. 石墨烯等离激元和金、银等离激元对比


研究人员认为,之所以能实现如此高质量的等离激元,打破光场紧密限域和高能量损耗之间的矛盾,主要是得益于石墨烯器件的高品质,高迁移性电子可以传播数微米而不发生散射。另外,低温条件下,温度敏感过程造成的能量损失得以避免;而内部激发也使得等离激元能量损失降低到最小。




图3. 等离激元和电子传递性能


进一步,理论模型和实验数据表明,低温条件下的外源能量损耗主要来源于包裹石墨烯的介电材料,而不是因为石墨烯本身。通过改变包裹材料,可以进一步提高等离激元质量。而能量损耗的内部原因,仍未可知。


总之,这项研究基于石墨烯发展了一种全新的等离激元纳米光子学研究平台,并将扫描近场光学显微镜应用到低温条件,为超导体、铁磁体等材料的研究提供了新的借鉴。


参考文献:

1.G. X. Ni, D. N. Basov et al. Fundamental limits to graphene plasmonics. Nature2018, 557, 530–533.

2.Justin C. W. Song. Plasmon propagation pushed to the limit. Nature 2018, 557,501-502.