研究人员将光线注入纳米级器件和电路

随着电子器件和电路缩小到纳米级，在低功率和几乎没有能量损失的情况下在芯片上传输数据的能力正成为一项关键挑战。在过去的十年中，将光线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，已成为人们关注的焦点。等离子体是光(光子)和金属中的电子的混合物。如果研究人员可以利用这种纳米光，他们将能够改善信号的感应，亚波长波导和光传输。

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，使他们能够首次直接成像石墨烯等离子体的传播和动力学。温度降至负250摄氏度。该研究于今天在线发表于“ 自然”杂志。

“我们的温度依赖性研究现在让我们直接物理洞察石墨烯中等离子体传播的基本物理学，”哥伦比亚大学物理学教授Dimitri N. Basov说道，他与同事Cory Dean(物理学)和詹姆斯一起领导了这项研究。 Hone(机械工程，哥伦比亚工程)。“在室温下进行的纳米成像研究中，这种洞察力是不可能实现的。我们特别惊讶地发现，经过多年努力失败的努力，紧凑的纳米光可以沿着石墨烯表面行进数十年的距离。微米没有不需要的散射。限制纳米光的行程范围的物理学是我们研究的一个基本发现，可能会导致传感器，成像和信号处理的新应用。“

Basov，Dean和Hone汇集了多年使用石墨烯的经验，石墨烯是一种原子厚度的材料，是新型光子材料最有希望的候选材料之一。石墨烯的光学特性很容易调节，并且可以在超快时间尺度上改变。然而，实现纳米光而不在石墨烯中引入不希望的耗散已经非常难以实现。

哥伦比亚大学的研究人员开发出一种将光限制在纳米尺度的实用方法。他们知道它们可以在石墨烯中形成等离子体激元或共振模式，石墨烯作为光和移动电子的混合激发在材料中传播。这些等离子体激元模式可以将电磁辐射或光的能量限制在纳米级以下。挑战在于如何以超高空间分辨率对这些波进行可视化，以便他们可以在不同温度下研究等离子体模式的性能。

Basov纳米光学实验室的博士后研究科学家亚历山大·麦克劳德(Alexander S. McLeod)建造了一种独特的显微镜，使该团队能够以高分辨率探索等离子体 - 极化子波，同时将石墨烯冷却至低温。降低温度使他们能够一个接一个地“关闭”各种散射或消散机制，因为他们冷却了样品并了解了哪些机制是相关的。

“现在我们的新型纳米成像能力已经部署在低温下，我们可以直接看到石墨烯中集体光电荷激发的未衰减波传播，”McLeod说，他与广告倪的研究的共同主要作者，也是博士后巴索夫实验室的研究科学家。“通常在物理学中，就像在生活中一样，看到真正相信!这些波浪的破纪录的旅行范围表明他们注定要独立生活，在下一代光学中来回传递信号和信息设备。”

该研究首次证明了石墨烯中等离子体激元波的传播的基本限制。研究小组发现石墨烯等离子体在整个微小装置中以数十微米的速率弹道传播。这些等离子体模式被限制在比自由传播的光所占据的数百个(甚至数千个)小的空间体积内。

石墨烯中的等离子体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(例如金属表面)具有很大的优势，而金属表面本身是不可调的。此外，现在发现石墨烯中的等离子体激元波的寿命超过金属中的寿命10到100倍，同时在相对更长的距离上传播。这些特征为石墨烯作为下一代光电子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之一，应用于成像，传感和纳米级光控制，”Hone说。“此外，我们的研究结果揭示了限制石墨烯中等离子体波传播的过程的基本物理特性。这一巨大的见解将指导未来纳米结构工程的努力，这可能能够消除多功能纳米定义光的长距离传播的剩余障碍未来的光学设备。“

目前的研究是一系列低温研究的开始，这些研究主要集中在控制和操纵纳米级光电石墨烯器件中的受限等离子体。该团队现在正在使用低温纳米成像来探索新的等离子体效应，例如电诱导等离子体反射和调制，拓扑手征等离子体，以及最近发现的扭曲双层石墨烯的“魔角”系统中的超导等离子体。