研究人員將光壓縮進納米器件和納米電路中

如圖所示是表面等離子體激元的最佳圖示，其上是基於石墨烯樣品的表面電子密度的「波紋」。圖片來源：哥倫比亞大學

隨著電子器件和電路已經發展到納米尺度，在低功耗、低能量損耗的晶元上傳輸數據的能力正成為一個關鍵挑戰。在過去的十年中，將光壓縮到微小的器件和電路中一直是納米光子學研究人員的主要目標。

金屬表面的電子振蕩，簡稱為表面等離子體激元或等離子體激元，已經成為一個強烈的焦點領域。等離子體激元是金屬中的光（光子）和電子的混合體。如果研究人員能夠利用這種納米光，他們將能夠提高感測，亞波長波導和光傳輸的信號。

哥倫比亞研究人員在這項研究中取得了重大突破，他們發明了一種新型的「自製」低溫近場光學顯微鏡，在負250攝氏度，使他們能夠首次直接將石墨烯等離子體在低溫下的傳播和動力學成像。這項研究發表在今天的《自然Nature》雜誌上。

「我們的溫度依賴研究現在讓我們直接了解物理在石墨烯中傳播等離子物理的基本原理，」哥倫比亞大學物理學教授Dimitri N. Basov說，他與同事Cory Dean（物理系）和James Hone（哥倫比亞大學工程機械系）一起領導這項研究， 「在以前的納米成像研究範圍內，這種研究在室溫下是無法實現的。」

我們特別驚訝地發現，經過多年的失敗嘗試接近任何地方，緊湊的納米光可以沿著石墨烯的表面傳播幾十微米的距離而不需要不必要的散射。物理限制納米線的行程範圍是我們研究的一個基本發現，並可能在感測器、成像和信號處理中產生新的應用。

Basov、Dean和GRON在使用石墨烯方面積累了多年的經驗，石墨烯是最有前途的新型光子材料之一。石墨烯的光學特性是容易調諧的，並且可以在超快時間尺度上改變。然而，在不引入石墨烯中不需要的耗散的情況下實現納米光已經非常困難。

哥倫比亞大學的研究人員開發了一種將光限制在納米尺度上的實用方法。他們知道它們可以在石墨烯中形成等離激元極化或共振模式，這是通過光和移動電子的混合激發而在材料中傳播的。這些等離激元極化模式可以將電磁輻射或光的能量限制在納米尺度上。面臨的挑戰是如何在具有超高空間解析度的情況下實現這些波的可視化，使他們可以研究在不同溫度下的等離子體模式的性能。

BASOVO納米光學實驗室的博士後研究科學家Alexander S. McLeod建立了一個獨特的顯微鏡，使團隊能夠在高解析度下探索等離子激元波，同時將石墨烯冷卻到低溫。降低溫度允許他們一個接一個「關閉」各種散射或耗散機制，因為他們冷卻了他們的樣本，可以了解到哪些機制是相關的。

「現在，我們的新納米成像能力被部署到低溫，我們可以直接看到集體光和電荷激發在石墨烯中的不平緩波傳播，」 研究人員McLeod和Guangxin Ni說，它們也是Basov的博士後研究科學家，且是該文章的共同作者。「在物理研究中，或者在生活中，我們看到的才能真正的相信！這些波的破紀錄的研究範圍表明它們註定要有自己的價值，可以在下一代光學設備中來回傳遞信號和信息。」

這項研究首次證明了在石墨烯中等離子體激元波傳播的基本局限性。研究小組發現，石墨烯等離子體在整個微小裝置中傳播，跨越數十微米。這些等離激元模式被限制在幾百個空間中，即使不是幾千個，也比自由傳播光佔據的空間小。

石墨烯中的等離子激元可以通過外部電場進行調諧和控制，這使得石墨烯比傳統的等離子體介質（如金屬表面）具有很大的優勢，其本質上是不可調諧的。此外，現在發現石墨烯中的等離子體波的壽命超過金屬中的10倍到100倍，而在相對較長的距離上傳播。這些特性為石墨烯作為下一代光電電路中的等離子體介質提供了巨大的優勢。

「我們的研究結果表明，石墨烯是紅外等離子體的最佳候選材料，在成像、感測和納米尺度的光操作中有應用，」Hone說。「此外，我們的發現揭示了限制石墨烯中等離子體波傳播的過程的基本物理。這一巨大的洞察力將指導未來的納米結構工程的努力方向，這可能能夠為未來的光學器件中的多功能納米限制光的遠距離傳輸清除剩餘的障礙。」

目前的研究是一系列低溫研究的開始，重點是控制和操縱納米光電光敏器件中的受限等離子體。該小組目前正在使用低溫納米成像來探索新的等離子體效應，如電致等離子體激元反射和調製、拓撲手征等離子體，以及在最近發現的扭曲雙層石墨烯的「魔角」系統中的超導等離子激元。

該項研究的題目為「石墨烯等離子體的基本限制」。

來源：https://phys.org/news/2018-05-nanoscale-devices-circuits.html

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