利用石墨烯等离子体实现的最小光腔

微型化使智能手机、健康手表、医疗探头和纳米卫星等技术成为可能，这些在几十年前都是不可想象的。再想象一下，在60年的时间里，晶体管的尺寸从手掌的大小缩小到14纳米，这要比头发的直径小1000倍。

小型化将技术推向了光电路的新时代。但与此同时，它也引发了新的挑战和障碍，例如，在纳米尺度上控制和引导光。研究人员正在寻找将光限制在极其微小的空间中的技术，这个空间比目前的空间小数百万倍。先前的研究发现，金属可以将光压缩到波长范围（衍射极限）以下。

在这方面，石墨烯是一种由单层碳原子组成的材料，具有特殊的光学和电学性质，能够以等离子体的形式引导光，等离子体是与光强烈相互作用的电子振荡。这些石墨烯等离子体子具有将光限制在很小空间的自然能力。然而，到目前为止，只有将这些等离子体限制在一个方向上是可能的，而光与像原子和分子这样的小粒子相互作用的实际能力则存在于其可压缩的体积中。在所有三维空间中，这种类型的约束通常被视为光学腔。

在最近发表在《科学Science》杂志上的一项研究中，西班牙光子科学研究所（ICFO）的研究人员Itai Epstein、David Alcaraz、Varum Varma Pusapati、Avinash Kumar、Tymofiy Khodkow，由Frank Koppens教授领导，与麻省理工学院、杜克大学、巴黎大学和明浩大学的研究人员合作，为石墨烯等离子体建立了一种新型的腔通过在石墨烯片上集成纳米尺寸的金属立方体。基于这些等离子体，他们的方法使他们能够实现有史以来最小的红外光光学腔。

在他们的实验中，他们使用了50纳米大小的银纳米立方体，这些银纳米立方体随机地撒在石墨烯片上，没有特定的图案或方向。这使得每一个纳米立方体，连同石墨烯，成为一个单一的空腔。然后，他们通过装置发射红外光，观察等离子体如何传播到金属纳米立方体和石墨烯之间的空间，被压缩到只有那么小的体积。

上图所示为在石墨烯异质结构上随机放置的银纳米立方体

这项研究的第一作者Itai Epstein说：“我们在这项实验中遇到的主要障碍在于红外波段的光波长非常大，立方体非常小，大约小200倍，所以很难使它们相互作用。”

为了克服这个问题，他们利用石墨烯等离子体与纳米立方体相互作用时的特殊现象，产生了磁共振。Itai Epstein说：“磁共振的一个独特特性是，它可以充当一种天线，弥合纳米立方体的小尺寸和大尺度光之间的差异。”

因此，产生的共振维持了等离子体在立方体和石墨烯之间以非常小的体积运动，比普通红外光的体积小100亿倍，这是以前在光学限制中从未实现过的。此外，他们还发现，单个石墨烯立方腔在与光相互作用时，充当了一种新型的纳米天线，能够非常有效地散射红外光。

这项研究的结果在分子和生物传感领域非常有前景，对医学、生物技术、食品检验甚至安全都有重要意义，因为这种方法能够大大加强光学领域，从而检测通常对红外光有反应的分子材料。

Koppens教授说：“这项成就非常重要，因为它使我们能够调整等离子体子模式的体积，以驱动它们与小粒子（如分子或原子）的相互作用，并能够探测和研究它们。我们知道，光谱的红外和太赫兹范围提供了有关分子振动共振的宝贵信息，为相互作用和探测分子材料以及将其用作一种有前途的传感技术提供了可能。” 

原文来源：https://phys.org/news/2020-06-smallest-cavity-graphene-plasmons.html