石墨烯旗舰开发以石墨烯相关材料将光限制到原子水平的新技术

update · 发表于 2018-4-27 09:56:54

在最近发表在《科学》杂志上的一项研究中，ICFO——西班牙巴塞罗那光子科学研究所的研究人员，以及石墨烯旗舰的其他成员，达到了光限制的最高水平。他们已经能够把光限制到原子水平。这将为超小型光学开关、探测器和传感器铺平道路。

光可以用作超快速的通信信道，例如在计算机芯片的不同部分之间，但它也可以用于超敏传感器或片上纳米激光器。目前学界对如何进一步缩小控制和引导光的装置进行了大量研究。

石墨烯旗舰的新技术正在寻找将光限制在比目前的小得多的空间中的方法。研究人员以前发现，金属可以在波长尺度（衍射极限）下压缩光，但是更多的限制总是以能量损失为代价。这个根本问题现在已经解决了。

这项研究的负责人同时也是西班牙巴塞罗那光子科学研究所的负责人--ICFO教授Frank Koppens说： “石墨烯令我们感到惊讶：没有人认为将光限制到一个原子极限是可能的。它将开启一套全新的应用，如光通信和低于一纳米的传感技术。”

这组研究人员包括来自ICFO（西班牙）、米诺大学（葡萄牙）和麻省理工学院（美国）的研究人员，使用了一堆称为异质结构的二维材料，以构建一种新的纳米光学器件。他们采取了石墨烯单层（作为半金属），及堆叠在其上的六方氮化硼（HBN）单层（绝缘体），并在上面沉积了金属棒阵列。他们使用石墨烯，因为它能以等离子体的形式来引导光，即电子的振荡，强烈地与光相互作用。

“起初我们正在寻找一种激发石墨烯等离子体的新方法。过程中，我们发现约束比以前更强烈，额外损失最小。因此，我们决定以令人惊讶的结果去达到原子极限，“ICFO的第一作者David Alcaraz Iranzo说。

发送红外线光通过它们的装置，研究者观察到等离子体子如何在金属和石墨烯之间传播。为了达到可想象的最小空间，他们决定尽可能减少金属和石墨烯之间的间隙，看看光的限制是否仍然有效，即没有额外的能量损失。引人注目的是，他们发现，即使当单层的HBN用作间隔物时，等离子体子仍然被激发，并且可以自由地传播，而被限制在仅仅一个原子厚的通道中。他们通过简单地施加一个电压来控制这种等离子体的传播，这意味着在一个小于1纳米的通道中引导光的控制。

这使得新的光电器件只有一个纳米厚成为可能，例如超小型光开关，探测器和传感器。由于光场限制的范式转变，现在可以探索以前无法访问的极端光物质相互作用。二维材料的原子级工具箱现在也被证明可用于许多类型的新器件，其中光和电子都可以控制到甚至达到纳米级。

石墨烯旗舰科学技术官兼管理小组主席Andrea C. Ferrari教授补充说：“虽然旗舰正在推动新型应用的开发，特别是在光子学和光电子领域，但我们不会忽视的基础研究，本文报道的令人印象深刻的结果证明了旗舰工作的尖端科学的相关性，达到了光限制的最终极限，可能导致具有前所未有的小尺寸的新器件。

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