石墨烯旗艦開發以石墨烯相關材料將光限制到原子水準的新技術

在最近發表在《科學》雜誌上的一項研究中， ICFO——西班牙巴賽隆納光子科學研究所的研究人員以及石墨烯旗艦的夥伴合作， 已經能夠把光限制到原子水準。 這將為超小型光學開關、探測器和感測器鋪平道路。

文章轉載自公眾號：智識諮詢

在最近發表在《科學》雜誌上的一項研究中， ICFO——西班牙巴賽隆納光子科學研究所的研究人員， 以及石墨烯旗艦的其他成員， 達到了光限制的最高水準。 他們已經能夠把光限制到原子水準。 這將為超小型光學開關、探測器和感測器鋪平道路。

光可以用作超快速的通信通道，

例如在電腦晶片的不同部分之間， 但它也可以用於超敏感測器或片上納米雷射器。 目前學界對如何進一步縮小控制和引導光的裝置進行了大量研究。

石墨烯旗艦的新技術正在尋找將光限制在比目前的小得多的空間中的方法。 研究人員以前發現， 金屬可以在波長尺度（衍射極限）下壓縮光， 但是更多的限制總是以能量損失為代價。 這個根本問題現在已經解決了。

這項研究的負責人同時也是西班牙巴賽隆納光子科學研究所的負責人--ICFO教授Frank Koppens說： “石墨烯令我們感到驚訝：沒有人認為將光限制到一個原子極限是可能的。 它將開啟一套全新的應用， 如光通信和低於一納米的傳感技術。 ”

這組研究人員包括來自ICFO（西班牙）、米諾大學（葡萄牙）和麻省理工學院（美國）的研究人員，

使用了一堆稱為異質結構的二維材料， 以構建一種新的納米光學器件。 他們採取了石墨烯單層（作為半金屬）， 及堆疊在其上的六方氮化硼（HBN）單層（絕緣體）， 並在上面沉積了金屬棒陣列。 他們使用石墨烯， 因為它能以等離子體的形式來引導光， 即電子的振盪， 強烈地與光相互作用。

“起初我們正在尋找一種激發石墨烯等離子體的新方法。 過程中， 我們發現約束比以前更強烈， 額外損失最小。 因此， 我們決定以令人驚訝的結果去達到原子極限， “ICFO的第一作者David Alcaraz Iranzo說。

發送紅外線光通過它們的裝置， 研究者觀察到等離子體子如何在金屬和石墨烯之間傳播。 為了達到可想像的最小空間， 他們決定盡可能減少金屬和石墨烯之間的間隙， 看看光的限制是否仍然有效， 即沒有額外的能量損失。 引人注目的是， 他們發現， 即使當單層的HBN用作間隔物時， 等離子體子仍然被激發， 並且可以自由地傳播， 而被限制在僅僅一個原子厚的通道中。

他們通過簡單地施加一個電壓來控制這種等離子體的傳播， 這意味著在一個小於1納米的通道中引導光的控制。

這使得新的光電器件只有一個納米厚成為可能， 例如超小型光開關， 探測器和感測器。 由於光場限制的範式轉變， 現在可以探索以前無法訪問的極端光物質相互作用。 二維材料的原子級工具箱現在也被證明可用於許多類型的新器件， 其中光和電子都可以控制到甚至達到納米級。

石墨烯旗艦科學技術官兼管理小組主席Andrea C. Ferrari教授補充說：“雖然旗艦正在推動新型應用的開發， 特別是在光子學和光電子領域， 但我們不會忽視的基礎研究， 本文報導的令人印象深刻的結果證明了旗艦工作的尖端科學的相關性，

達到了光限制的最終極限， 可能導致具有前所未有的小尺寸的新器件。

文獻連結：Probing the Ultimate Plasmon Confinement Limits with a van der Waals heterostructure

David Alcaraz Iranzo, Sebastien 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, DOI 10.1126/science.aar8438 (2018)