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美国利用石墨烯将光限制在纳米尺寸

日期: 2018-05-25
浏览次数: 12

随着电子器件和电路缩小到纳米尺寸,以低功耗和低能量损失,在芯片上传输数据的能力成为一个严峻挑战。在过去十年,将光压缩至微型器件和电路中是纳米光子学研究人员的主要目标。金属表面的电子振荡,称为表面极化激元或者简称为等离子体,已成为热门焦点领域。等离激元是金属中电子与光子耦合生成的。如果研究人员能够利用这种纳米光,那么研究人员将能够改进传感、亚波长波导和信号的光传输。

哥伦比亚大学研究人员在这个领域取得重大突破,他们发明了一种新型的“自制”低温近场光学显微镜,使他们能够第一次直接对石墨烯等离子体的传播和动力学进行成像,随着可变温度降至负250摄氏度。该研究今天在线发布在《自然》杂志上。

依赖温度的研究让我们直接了解石墨烯中等离激元传播的基本物理学原理。以前在室温下进行纳米成像的研究中无法获得这种直接观察。我们特别惊讶地发现,经过多年失败尝试,这种紧凑的纳米光可以沿着石墨烯表面传播数十微米的距离,而没有发生不必要的散射。限制纳米光传播距离的物理学是我们研究的基本发现,可能会在传感、成像和信号处理等领域出现新应用。

石墨烯的光学特性很容易调节,并且可以在超快时间范围内改变。然而,在引入不必要耗散情况下,在石墨烯中实现纳米光是非常困难的。

哥伦比亚大学开发出一种实用方法把光限制在纳米范围内。研究人员可以通过在石墨烯中形成等离激元,或者振荡模式。

这些等离激元模式可以限制电磁辐射的能量至纳米级。如何以超高空间分辨率观察到这些波成为一个挑战,进而研究人员可以在可变温度下研究等离激元性能。

亚历山大S.麦克劳德是巴索夫纳米光学实验室的博士后,他构建了一种独特的显微镜,能够在高分辨率下探索等离极化激元波,同时将石墨烯冷却至低温。降低温度使研究人员能逐一地“关闭”各种散射或消散机制,因为研究人员可以冷却样本并了解哪些机制是相关的。

既然我们的新型纳米成像能力被部署到低温,我们就可以直接看到石墨烯内集体光电荷激发的未消减波的传播。这项研究是首次证明石墨烯中等离极化激元传播的基本限制。研究小组发现,石墨烯等离子体激元在整个微小器件内传播数十微米。这些等离激元被限制在比自由空间中的光占据的空间体积小几百倍甚至几千倍的空间内。

石墨烯中的等离子体可以通过外部电场进行调谐和控制,这使得石墨烯比常规等离子体介质(如金属表面)具有很大的优势,这些介质固有地不可调。此外,石墨烯中的等离极化激元的寿命超过金属中的等离极化激元寿命的10倍至100倍,同时能在相当长的距离上传播。这些特性为石墨烯在下一代光电电路中作为等离子体介质提供了巨大的优势。

研究人员说:“我们的研究结果表明,石墨烯是红外等离激元的最佳候选材料之一,在成像、传感和纳米尺度光控制应用方面具有应用前景。此外,我们的研究结果揭示了限制等离激元波在石墨烯中传播的基本物理过程,这将指导纳米结构工程的未来工作。


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