西方使用石墨烯創(chuàng)造新方法 為超小型光器件提供可能性

  ICCSZ訊 來自西班牙光子科學(xué)研究所(ICFO)、葡萄牙米尼奧大學(xué)和美國麻省理工學(xué)院的研究團(tuán)隊(duì)利用石墨烯發(fā)現(xiàn)了一種能將光限制在一個(gè)原子厚度的空間中的新方法。將光線限制在如此狹小空間的能力可為超小型光電子器件鋪平道路。

圖為實(shí)驗(yàn)原理示意圖

  功能折衷

  先前的工作表明，雖然金屬可以將光壓縮到衍射極限以下，但這種附加約束通常是以額外的能量損失為代價(jià)的。來自西班牙光子科學(xué)研究所(ICFO)、葡萄牙米尼奧大學(xué)和美國麻省理工學(xué)院的研究團(tuán)隊(duì)通過構(gòu)建石墨烯-絕緣體-金屬異質(zhì)結(jié)構(gòu)的方法解決了這個(gè)問題，該異質(zhì)結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)“限制”和損失之間的折衷。

  原理

  研究人員利用二維異質(zhì)結(jié)構(gòu)制作了納米光學(xué)器件。他們利用石墨烯單層作為半金屬，并在上面堆疊六方氮化硼(hBN)單層作為絕緣體。使用石墨烯是因?yàn)樗梢砸缘入x子體激元的形式引導(dǎo)光-電子與光相互作用的振蕩。在石墨烯-hBN結(jié)構(gòu)之上，研究人員沉積了一系列金屬棒。

  研究人員通過該裝置發(fā)出紅外光，并且觀察金屬與石墨烯之間的等離子體是如何傳播的。他們縮小了金屬和石墨烯之間的距離，觀察光線的限制是否仍然有效，也就是說，它不會(huì)產(chǎn)生額外的能量損失。實(shí)驗(yàn)表明，即使使用單個(gè)hBN單層作為隔離物，等離子體也被光激發(fā)，并且能夠在原子厚的通道內(nèi)自由擴(kuò)散。光被限制在金屬和石墨烯之間的垂直方向上(如傳播等離子體激元)。

  實(shí)驗(yàn)結(jié)果

  ICFO研究員David Alcaraz Iranzo表示：“起初我們?cè)噲D尋找一種激發(fā)石墨烯等離子體的新方法。過程中，我們發(fā)現(xiàn)禁閉比以前更強(qiáng)烈，額外損失最小。所以我們決定以驚人的結(jié)果去達(dá)到一個(gè)原子的極限。”

  研究人員能夠通過施加電壓來打開和關(guān)閉等離子體激元傳播。利用這種能力，他們演示了在小于1納米的通道中引導(dǎo)光的控制。

  應(yīng)用前景

  這種光場禁閉的轉(zhuǎn)變能夠以前所未有的方式進(jìn)一步探索極端的光與物質(zhì)相互作用。

  ICFO教授Frank Koppens表示：“石墨烯讓我們驚訝：沒有人認(rèn)為將光限制在一個(gè)原子的極限是可能的。它將開放一套全新的應(yīng)用，例如光通信和低于一納米的傳感等?！?

  這種異質(zhì)結(jié)構(gòu)可以為納米光子學(xué)提供強(qiáng)大而多功能的平臺(tái)。二維材料的原子尺度“工具箱”可用于將光子和電子都控制在納米尺度的器件，并可能促成新器件的研發(fā)，如超小型光開關(guān)，探測器和傳感器。

  參考文獻(xiàn)

  論文：“Probing the ultimate plasmon confinement limits with a van der Waals heterostructure”

  David Alcaraz Iranzo, Sébastien Nanot, Eduardo J. C. Dias, Itai Epstein, Cheng Peng, Dmitri K. Efetov, Mark B. Lundeberg, Romain Parret, Johann Osmond, Jin-Yong Hong, Jing Kong, Dirk R. Englund, Nuno M. R. Peres, Frank H. L. Koppens. Science 20 Apr 2018: Vol. 360, Issue 6386, pp. 291-295. DOI: 10.1126/science.aar8438

  原標(biāo)題：西、葡、美聯(lián)合利用石墨烯將光“壓縮”在單原子尺度內(nèi)，助力超小型光開關(guān)、探測器和傳感器