第一作者：G. X. Ni
通訊作者：D. N. Basov
第一單位：哥倫比亞大學（美國）
研究亮點：
1. 發(fā)明了一種新型石墨烯光學器件，在低溫獲得了長壽命的等離激元，實現(xiàn)了在低能量損耗條件下對光場的緊密限域。
2. 將掃描近場顯微鏡應用到低溫領域，并為其對激子的探測帶來了希望！
表面等離激元是光子和電子集合振蕩形成的一種電磁波，具有將光場限域在納米尺度的能力，對納米光子器件的微型化具有重要的應用前景。傳統(tǒng)的等離激元激發(fā)主要來源于金銀等幣族金屬，由于傳播過程中存在大量的能量損失，等離激元一直面臨壽命不長，傳播不遠的困境。對光場的限域越緊實，壽命越短，這個矛盾極大地阻礙了等離激元在納米光學器件領域的實際應用。
石墨烯的問世，為降低等離激元傳播過程中的能量損失，延長壽命帶來了新的希望。雖然石墨烯品質(zhì)不斷提高，但是等離激元能量損失問題依然沒有有效解決。
有鑒于此，哥倫比亞大學D. N. Basov課題組利用低溫激發(fā)高遷移性石墨烯裝置，獲得了長壽命的等離激元，實現(xiàn)了在低能量損耗條件下對光場的緊密限域。
圖1. 石墨烯低溫等離激元激發(fā)
研究人員發(fā)明了一種新型的高遷移率的Au/hBN/graphene/hBN包裹型石墨烯器件，定制了一臺適合低溫使用的掃描近場光學顯微鏡。在液氮低溫條件下，他們利用金屬針尖在器件內(nèi)部激發(fā)等離激元，然后掃描整個器件，對等離激元在器件邊緣和器件表面的微結構反射產(chǎn)生的干涉圖案進行成像。
研究人員在整個器件取區(qū)域都獲得了明顯的等離激元干涉條紋，這些洗衣板樣式的特征性條紋點亮了整個石墨烯器件。等離激元可以傳播長達10 μm之遠，壽命可達到1.6 ps（理論壽命可達到12 ps）,限域光的距離小于自由空間波長的1/60，等離激元的質(zhì)量因子高達130，打破了歷史記錄。
圖2. 低溫成像
表1. 石墨烯等離激元和金、銀等離激元對比
研究人員認為，之所以能實現(xiàn)如此高質(zhì)量的等離激元，打破光場緊密限域和高能量損耗之間的矛盾，主要是得益于石墨烯器件的高品質(zhì)，高遷移性電子可以傳播數(shù)微米而不發(fā)生散射。另外，低溫條件下，溫度敏感過程造成的能量損失得以避免；而內(nèi)部激發(fā)也使得等離激元能量損失降低到最小。
圖3. 等離激元和電子傳遞性能
進一步，理論模型和實驗數(shù)據(jù)表明，低溫條件下的外源能量損耗主要來源于包裹石墨烯的介電材料，而不是因為石墨烯本身。通過改變包裹材料，可以進一步提高等離激元質(zhì)量。而能量損耗的內(nèi)部原因，仍未可知。
總之，這項研究基于石墨烯發(fā)展了一種全新的等離激元納米光子學研究平臺，并將掃描近場光學顯微鏡應用到低溫條件，為超導體、鐵磁體等材料的研究提供了新的借鑒。
參考文獻：
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.
