隨著電子器件和電路縮小到納米級，在低功率和幾乎沒有能量損失的情況下在芯片上傳輸數(shù)據(jù)的能力正成為一項(xiàng)關(guān)鍵挑戰(zhàn)。在過去的十年中，將光線壓縮到微小的器件和電路中一直是納米光子學(xué)研究人員的主要目標(biāo)。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，已成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)。等離子體是光(光子)和金屬中的電子的混合物。如果研究人員可以利用這種納米光，他們將能夠改善信號的感應(yīng)，亞波長波導(dǎo)和光傳輸。

哥倫比亞研究人員在這項(xiàng)研究中取得了重大突破，他們發(fā)明了一種新型的“自制”低溫近場光學(xué)顯微鏡，使他們能夠首次直接成像石墨烯等離子體的傳播和動力學(xué)。溫度降至負(fù)250攝氏度。該研究于今天在線發(fā)表于“ 自然”雜志。

“我們的溫度依賴性研究現(xiàn)在讓我們直接物理洞察石墨烯中等離子體傳播的基本物理學(xué)，”哥倫比亞大學(xué)物理學(xué)教授Dimitri N. Basov說道，他與同事Cory Dean(物理學(xué))和詹姆斯一起領(lǐng)導(dǎo)了這項(xiàng)研究。 Hone(機(jī)械工程，哥倫比亞工程)。“在室溫下進(jìn)行的納米成像研究中，這種洞察力是不可能實(shí)現(xiàn)的。我們特別驚訝地發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過多年努力失敗的努力，緊湊的納米光可以沿著石墨烯表面行進(jìn)數(shù)十年的距離。微米沒有不需要的散射。限制納米光的行程范圍的物理學(xué)是我們研究的一個基本發(fā)現(xiàn)，可能會導(dǎo)致傳感器，成像和信號處理的新應(yīng)用。“

Basov，Dean和Hone匯集了多年使用石墨烯的經(jīng)驗(yàn)，石墨烯是一種原子厚度的材料，是新型光子材料最有希望的候選材料之一。石墨烯的光學(xué)特性很容易調(diào)節(jié)，并且可以在超快時間尺度上改變。然而，實(shí)現(xiàn)納米光而不在石墨烯中引入不希望的耗散已經(jīng)非常難以實(shí)現(xiàn)。

哥倫比亞大學(xué)的研究人員開發(fā)出一種將光限制在納米尺度的實(shí)用方法。他們知道它們可以在石墨烯中形成等離子體激元或共振模式，石墨烯作為光和移動電子的混合激發(fā)在材料中傳播。這些等離子體激元模式可以將電磁輻射或光的能量限制在納米級以下。挑戰(zhàn)在于如何以超高空間分辨率對這些波進(jìn)行可視化，以便他們可以在不同溫度下研究等離子體模式的性能。

Basov納米光學(xué)實(shí)驗(yàn)室的博士后研究科學(xué)家亞歷山大·麥克勞德(Alexander S. McLeod)建造了一種獨(dú)特的顯微鏡，使該團(tuán)隊能夠以高分辨率探索等離子體 - 極化子波，同時將石墨烯冷卻至低溫。降低溫度使他們能夠一個接一個地“關(guān)閉”各種散射或消散機(jī)制，因?yàn)樗麄兝鋮s了樣品并了解了哪些機(jī)制是相關(guān)的。

“現(xiàn)在我們的新型納米成像能力已經(jīng)部署在低溫下，我們可以直接看到石墨烯中集體光電荷激發(fā)的未衰減波傳播，”McLeod說，他與廣告倪的研究的共同主要作者，也是博士后巴索夫?qū)嶒?yàn)室的研究科學(xué)家。“通常在物理學(xué)中，就像在生活中一樣，看到真正相信!這些波浪的破紀(jì)錄的旅行范圍表明他們注定要獨(dú)立生活，在下一代光學(xué)中來回傳遞信號和信息設(shè)備。”

該研究首次證明了石墨烯中等離子體激元波的傳播的基本限制。研究小組發(fā)現(xiàn)石墨烯等離子體在整個微小裝置中以數(shù)十微米的速率彈道傳播。這些等離子體模式被限制在比自由傳播的光所占據(jù)的數(shù)百個(甚至數(shù)千個)小的空間體積內(nèi)。

石墨烯中的等離子體可以通過外部電場進(jìn)行調(diào)諧和控制，這使得石墨烯比傳統(tǒng)的等離子體介質(zhì)(例如金屬表面)具有很大的優(yōu)勢，而金屬表面本身是不可調(diào)的。此外，現(xiàn)在發(fā)現(xiàn)石墨烯中的等離子體激元波的壽命超過金屬中的壽命10到100倍，同時在相對更長的距離上傳播。這些特征為石墨烯作為下一代光電子電路中的等離子體介質(zhì)提供了巨大的優(yōu)勢。

“我們的研究結(jié)果表明，石墨烯是紅外等離子體的最佳候選材料之一，應(yīng)用于成像，傳感和納米級光控制，”Hone說。“此外，我們的研究結(jié)果揭示了限制石墨烯中等離子體波傳播的過程的基本物理特性。這一巨大的見解將指導(dǎo)未來納米結(jié)構(gòu)工程的努力，這可能能夠消除多功能納米定義光的長距離傳播的剩余障礙未來的光學(xué)設(shè)備。“

目前的研究是一系列低溫研究的開始，這些研究主要集中在控制和操縱納米級光電石墨烯器件中的受限等離子體。該團(tuán)隊現(xiàn)在正在使用低溫納米成像來探索新的等離子體效應(yīng)，例如電誘導(dǎo)等離子體反射和調(diào)制，拓?fù)涫终鞯入x子體，以及最近發(fā)現(xiàn)的扭曲雙層石墨烯的“魔角”系統(tǒng)中的超導(dǎo)等離子體。