等離激元是極化激元的一種，它是由入射光激發(fā)的沿材料表面?zhèn)鞑サ墓庾雍碗娮踊旌现C振的電磁模式，也是納米光子學材料中存在的一種獨特的物理現(xiàn)象。它能夠突破衍射極限，從而有望實現(xiàn)納米級片內(nèi)互聯(lián)。與傳統(tǒng)的金、銀等金屬材料相比，新型二維材料石墨烯具有單原子層的厚度、狄拉克電子特性和高載流子遷移率的特點，其支持的等離激元具有更高的波長壓縮比和靜電可調(diào)的優(yōu)勢，因此成為近年來研究的熱點。自2011年首次實驗觀測以來，石墨烯等離激元已經(jīng)在納米波導、電調(diào)激光器和分子傳感器等方向展示巨大應用潛力。 然而，石墨烯二維材料的特性使得其對周圍的介質環(huán)境異常敏感，諸多因素使其傳輸性能受到影響，阻礙其進一步應用于光電集成器件。研究表明，除了自身的熱聲子散射以外，基底的雜質、聚集電荷散射，聲子散射，以及介電環(huán)境的極化都會對石墨烯等離激元產(chǎn)生損耗，降低其品質因子和傳輸距離。如何突破介電環(huán)境對等離激元的性能的限制，實現(xiàn)高品質、長傳輸?shù)氖┑入x激元性能，已經(jīng)成為石墨烯等離激元邁向功能化應用發(fā)展中迫切需要解決的關鍵問題。 
圖1. 文獻報道的不同介質基底與本工作的懸空結構上石墨烯等離激元傳輸距離的對比。 近期，國家納米科學中心的戴慶研究團隊和西班牙光子科學研究所(ICFO)的Javier García de Abajo教授、美國紐約州立大學石溪分校劉夢昆教授、芬蘭阿爾托大學孫志培教授、中科院物理所陳佳寧研究員和西班牙Oviedo 大學的Pablo Alonso-González教授等團隊合作，進一步在懸空石墨烯結構獲得高質量的本征等離激元，解決了基底引入的額外損耗和限制調(diào)控等問題。 研究結果發(fā)現(xiàn)，懸空石墨烯提供了純凈的等離激元環(huán)境，其品質因子高達33，對應的傳輸距離超過3 μm。這是室溫下目前報道的石墨烯等離激元具有的最高傳輸性能記錄，對比同等條件下氧化硅基底上的石墨烯等離激元性能提升一個數(shù)量級以上。此外，該工作發(fā)現(xiàn)懸空高度可作為一種新型等離激元原位調(diào)制手段，可顯著調(diào)節(jié)等離激元波長、傳輸距離和群/相速度等性能。研究團隊利用這種調(diào)控優(yōu)勢，開發(fā)了一種新型等離激元開關器件，其電磁能流開關比高達14。得益于石墨烯的電學可調(diào)性質，這種新型等離激元開關還可以通過柵極電壓調(diào)控。懸空石墨烯等離激元兼具長傳輸距離、高可調(diào)諧性和可控的能量傳輸?shù)膬?yōu)異性能，為其將來在信息光子器件中的諸多應用提供了良好的基礎。 
圖2. (a) 直徑15微米懸空石墨烯的原子力顯微鏡成像的高度圖。左上角插圖是對應光學顯微鏡照片。（b）圓形孔上懸空石墨烯的近場光學成像圖。同心波紋反映了傳輸?shù)牡入x激元電場振幅信息。 懸空結構也為研究其它范德華材料支持的極化激元提供了新的平臺，例如聲子極化波、激子極化波和磁極化波等。研究懸空二維材料豐富極化激元的基本性質和使用性能的調(diào)控規(guī)律，不僅能夠避免基底的各種散射和極化影響，從而保持其本征的物理性質和高品質的傳輸性能，也為將來構筑新型納米光子學器件提供新的思路和選擇。 
圖3. (a) 懸空石墨烯等離激元能流開關器件的示意圖。（b）不同氣體壓力下原位調(diào)控石墨烯的懸空高度。（c）不同懸空高度下等離激元的傳輸電場分布。（d）等離激元通過懸空界面的能流開關比。 該工作于2022年3月18日發(fā)表在《自然·通訊》期刊(Nature communications (2022) 13:1465)。國家納米科學中心胡海副研究員（第十二批會員）為該文章的第一作者和通訊作者之一，國家納米科學中心戴慶研究員與西班牙光子科學研究所Javier García de Abajo教授為共同通訊作者。感謝國家納米科學中心微納加工實驗室(Nanofab Lab @ NCNST)對于樣品制備的幫助和建議。上述研究工作獲得了國家重點研發(fā)計劃納米科技重點專項、國家自然科學基金、中科院青促會項目及中科院戰(zhàn)略性先導科技專項B類等項目的支持。 原文鏈接: https://www.nature.com/articles/s41467-022-28786-8.
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