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石墨烯创造了将光压缩到一个原子的新记录

2019-03-24 21:32:44来源:

在最近发表在“ 科学”杂志上的一项研究中,ICFO的研究人员 - 西班牙巴塞罗那的光子科学研究所,以及石墨烯旗舰的其他成员,达到了极限光限制。它们能够将光线限制在一个原子的空间内,尽可能小。这将为超小型光学开关,探测器和传感器铺平道路。

光可以用作超快速通信通道,例如在计算机芯片的不同部分之间,但是它也可以用于超灵敏传感器或片上纳米级激光器。目前有很多关于如何进一步收缩控制和引导光的设备的研究。

寻找将光限制在极小空间中的方法的新技术已经在不断增加,这些空间远小于当前的空间。研究人员之前发现金属可以压缩低于波长范围的光(衍射极限),但更多的限制总是以更多的能量损失为代价。现在已经克服了这个根本问题。

“石墨烯让我们感到惊讶:没有人认为将光限制在单原子极限是可能的。它将开启一套全新的应用,例如光学通信和低于1纳米的传感,”ICREA教授Frank Koppens说。在ICFO - 西班牙巴塞罗那光子科学研究所领导这项研究。

这个研究团队,包括来自ICFO(西班牙),米尼奥大学(葡萄牙)和麻省理工学院(美国)的研究人员,使用称为异质结构的二维材料堆叠来构建新的纳米光学器件。他们采用石墨烯单层(作为半金属),并在其上堆叠六边形氮化硼(hBN)单层(绝缘体),并在其上沉积一系列金属棒。他们使用石墨烯,因为它可以以等离子体的形式引导光,等离子体是电子的振荡,与光强烈相互作用。

“起初我们正在寻找激发石墨烯等离子体的新方法。在途中,我们发现限制比以前更强,额外的损失最小。所以我们决定采用一个原子限制,结果令人惊讶,”来自ICFO的主要作者David Alcaraz Iranzo。

通过在设备中发送红外光,研究人员观察了等离子体如何在金属和石墨烯之间传播。为了达到可以想象的最小空间,他们决定尽可能地减小金属和石墨烯之间的间隙,以确定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,即使单层hBN用作间隔物,等离子体仍然是激发的,并且可以自由地传播,同时被限制在仅一个原子厚度的通道中。他们设法通过施加电压来打开和关闭这种等离子体传播,证明了在小于1纳米的通道中引导的光的控制。

这使得新的光电设备只有一纳米厚,例如超小型光学开关,探测器和传感器。由于光场限制的范式转换,现在可以探索以前无法获得的极端光物质相互作用。二维材料的原子级工具箱现在也已经证明适用于许多类型的新设备,其中光和电子都可以控制甚至低至纳米级。

Graphene旗舰科技官员Andrea C. Ferrari教授及其管理小组主席补充说:“虽然旗舰产品正在推动新型应用的发展,特别是在光子学和光电子学领域,但我们并没有失去视力。本文报道的令人印象深刻的结果证明了旗舰工作前沿科学的相关性。达到光限制的最终极限可能会带来前所未有的小尺寸的新设备。