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研究所(ICFO)、葡萄牙米尼奧大學和美國麻省理工學院的研究團隊利用石墨烯發(fā)現(xiàn)了一種能將光限制在一個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。

圖為實驗原理示意圖

  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的。來自西班牙光子科學研究所(ICFO)、葡萄牙米尼奧大學和美國麻省理工學院的研究團隊通過構建石墨烯-絕緣體-金屬異質結構的方法解決了這個問題，該異質結構可以實現(xiàn)“限制”和損失之間的折衷。

  原理

  研究人員利用二維異質結構制作了納米光學器件。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。使用石墨烯是因為它可以以等離子體激元的形式引導光-電子與光相互作用的振蕩。在石墨烯-hBN結構之上，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，它不會產生額外的能量損失。實驗表明，即使使用單個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自由擴散。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)。

  實驗結果

  ICFO研究員David Alcaraz Iranzo表示：“起初我們試圖尋找一種激發(fā)石墨烯等離子體的新方法。過程中，我們發(fā)現(xiàn)禁閉比以前更強烈，額外損失最小。所以我們決定以驚人的結果去達到一個原子的極限?！?

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

  應用前景

  這種光場禁閉的轉變能夠以前所未有的方式進一步探索極端的光與物質相互作用。

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

  這種異質結構可以為納米光子學提供強大而多功能的平臺。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，探測器和傳感器。

  參考文獻

  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

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