研究人员将光压缩进纳米器件和纳米电路中

随着电子器件和电路已经发展到纳米尺度，在低功耗、低能量损耗的芯片上传输数据的能力正成为一个关键挑战。在过去的十年中，将光压缩到微小的器件和电路中一直是纳米光子学研究人员的主要目标。

金属表面的电子振荡，简称为表面等离子体激元或等离子体激元，已经成为一个强烈的焦点领域。等离子体激元是金属中的光（光子）和电子的混合体。如果研究人员能够利用这种纳米光，他们将能够提高传感，亚波长波导和光传输的信号。

哥伦比亚研究人员在这项研究中取得了重大突破，他们发明了一种新型的“自制”低温近场光学显微镜，在负250摄氏度，使他们能够首次直接将石墨烯等离子体在低温下的传播和动力学成像。这项研究发表在今天的《自然Nature》杂志上。

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如图所示是表面等离子体激元的最佳图示，其上是基于石墨烯样品的表面电子密度的“波纹”。图片来源：哥伦比亚大学

“我们的温度依赖研究现在让我们直接了解物理在石墨烯中传播等离子物理的基本原理，”哥伦比亚大学物理学教授Dimitri N. Basov说，他与同事Cory Dean（物理系）和James Hone（哥伦比亚大学工程机械系）一起领导这项研究， “在以前的纳米成像研究范围内，这种研究在室温下是无法实现的。”

我们特别惊讶地发现，经过多年的失败尝试接近任何地方，紧凑的纳米光可以沿着石墨烯的表面传播几十微米的距离而不需要不必要的散射。物理限制纳米线的行程范围是我们研究的一个基本发现，并可能在传感器、成像和信号处理中产生新的应用。

Basov、Dean和GRON在使用石墨烯方面积累了多年的经验，石墨烯是最有前途的新型光子材料之一。石墨烯的光学特性是容易调谐的，并且可以在超快时间尺度上改变。然而，在不引入石墨烯中不需要的耗散的情况下实现纳米光已经非常困难。

哥伦比亚大学的研究人员开发了一种将光限制在纳米尺度上的实用方法。他们知道它们可以在石墨烯中形成等离激元极化或共振模式，这是通过光和移动电子的混合激发而在材料中传播的。这些等离激元极化模式可以将电磁辐射或光的能量限制在纳米尺度上。面临的挑战是如何在具有超高空间分辨率的情况下实现这些波的可视化，使他们可以研究在不同温度下的等离子体模式的性能。

BASOVO纳米光学实验室的博士后研究科学家Alexander S. McLeod建立了一个独特的显微镜，使团队能够在高分辨率下探索等离子激元波，同时将石墨烯冷却到低温。降低温度允许他们一个接一个“关闭”各种散射或耗散机制，因为他们冷却了他们的样本，可以了解到哪些机制是相关的。

“现在，我们的新纳米成像能力被部署到低温，我们可以直接看到集体光和电荷激发在石墨烯中的不平缓波传播，” 研究人员McLeod和Guangxin Ni说，它们也是Basov的博士后研究科学家，且是该文章的共同作者。“在物理研究中，或者在生活中，我们看到的才能真正的相信！这些波的破纪录的研究范围表明它们注定要有自己的价值，可以在下一代光学设备中来回传递信号和信息。”

这项研究首次证明了在石墨烯中等离子体激元波传播的基本局限性。研究小组发现，石墨烯等离子体在整个微小装置中传播，跨越数十微米。这些等离激元模式被限制在几百个空间中，即使不是几千个，也比自由传播光占据的空间小。

石墨烯中的等离子激元可以通过外部电场进行调谐和控制，这使得石墨烯比传统的等离子体介质（如金属表面）具有很大的优势，其本质上是不可调谐的。此外，现在发现石墨烯中的等离子体波的寿命超过金属中的10倍到100倍，而在相对较长的距离上传播。这些特性为石墨烯作为下一代光电电路中的等离子体介质提供了巨大的优势。

“我们的研究结果表明，石墨烯是红外等离子体的最佳候选材料，在成像、传感和纳米尺度的光操作中有应用，”Hone说。“此外，我们的发现揭示了限制石墨烯中等离子体波传播的过程的基本物理。这一巨大的洞察力将指导未来的纳米结构工程的努力方向，这可能能够为未来的光学器件中的多功能纳米限制光的远距离传输清除剩余的障碍。”

目前的研究是一系列低温研究的开始，重点是控制和操纵纳米光电光敏器件中的受限等离子体。该小组目前正在使用低温纳米成像来探索新的等离子体效应，如电致等离子体激元反射和调制、拓扑手征等离子体，以及在最近发现的扭曲双层石墨烯的“魔角”系统中的超导等离子激元。

该项研究的题目为“石墨烯等离子体的基本限制”。

原文来源：https://phys.org/news/2018-05-nanoscale-devices-circuits.html（实验帮译）

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