他，又发Nature了！
纳米人
2021-06-25
王枫，加州大学伯克利分校物理系教授，专注于超快纳米光学研究。自2004年博士毕业，以通讯作者在Science、Nature及其子刊发表大量高水平成果，在石墨烯为代表的二维材料光学领域，长期引领国际研究潮流。今天，我们要介绍的是王枫课题组今日在Nature最新发表的研究成果，是关于单层石墨烯等离激元研究。
第一作者：Wenyu Zhao, Sihan Zhao通讯单位：加州大学伯克利分校，劳伦斯伯克利国家实验室通讯作者：D. N. Basov,D. A. Bandurin等离激元是光和集体电子振荡的组合。近日，有研究表明在二维材料石墨烯中等离激元可以被漂移的电子拖拽，这一研究可能极大促进光学物理学的发展。如果波在与传播方向垂直的方向振荡，我们称它为横波；如果波在与传播方向平行的方向振荡，我们称它为纵波。光是横波，而等离子体是纵波。在Fizeau实验中，光和流动的水是不同的成分，光可以在没有介质的情况下传播。然而，对于一个等离子体而言，光和电子是不可分割的。因此，如果等离子体中的电子在电场中漂移，那么等离子体就能被其组成的电子有效地拖动。至关重要的是，因为等离激元的传播速度比光慢得多，导致这种阻力效应比光通过移动介质时更容易观察到。加州大学伯克利分校的Feng Wang教授的团队和美国哥伦比亚大学D. N. Basov教授与麻省理工学院D. A. Bandurin教授的联合团队分别报道了石墨烯中等离子体被漂移电子拖动的现象。他们向金条发射了一束红外光，从而在石墨烯中产生等离激元。随后使用一种被称为近场红外纳米镜的成像方法直接可视化了低温下的等离激元。研究发现，与石墨烯中的电子流方向相反的等离激元具有更短的波长。因此，他们得出的结论是，拖动效应使等离子体的波长改变了几个百分点。这种变化是显著的，因为它可以直接测量，而不需要借助敏感的光干涉技术。1、因为石墨烯中的电子流动性高，且相对稀疏。故而它们的漂移速度可以很大——比贵金属大几个数量级。这一特性使得上述研究可以观察到复杂的(非线性的)阻力效应。2、石墨烯中的等离子体拖拽效应在爱因斯坦的狭义相对论中得到了很好的描述，而在经典物理学中却没有。对于传统的二维电子气体，阻力效应满足经典关系，即等离子体的最终速度为其初始速度和电子漂移速度的总和。然而，对于石墨烯，需要狭义相对论来确定最终速度，上述研究都证明了这一点。3、石墨烯中的电子即使在室温下也具有高度的流动性，这表明在环境条件下，阻力效应可能是可以观察到的。对于传统的二维电子气体，在研究这种效应之前需要低温。1、等离子体拖拽实验为石墨烯中的电子-电子散射研究提供了新的思路。阻力系数的测量量可以反映散射率，如果这个速率(以能量为单位)比等离子体能量低，则阻力系数为0.25。如果散射率相对于等离子体能量较高，则阻力系数为0.5。因此，等离子体拖拽效应提供了一种电子-电子散射率的测量方法，这对于分析涉及许多电子的相互作用特别有价值。2、漂移电子电流可以有效地打破时间反转对称性，这种效应可以很容易地应用于目标光子组件，从而提高了器件的可控性和多功能能力。阻力效应导致正向和反向传播的等离激元具有不同的波长和速度，从而引入了一种称为非互易性的特性。结果，时间反转对称性就被打破了，如果时间方向被反转，系统的物理特性就会随之改变。通常，需要一个外部磁场或一个称为手性泵浦的过程来打破这种对称性。为了充分释放石墨烯或其他等离子体系统中的这些非互易等离子体的潜力，还需要进行更进一步的实验研究。1、应该确定向前和向后移动的等离激元之间的传播长度之差。理论工作表明，向前移动的等离激元比向后移动的等离激元的传播长度要长得多；而且在极端情况下，向后移动的等离激元不能传播。2、应该获得更强的阻力效应。需要获得更强的阻力效应，就需要更高的漂移速度，这将导致严重的加热问题——这个问题可以通过脉冲电流来缓解。3、测量频率范围从远红外到中红外的等离激元的阻力系数可以提供更完整的等离激元阻力效应的图像。4、近场红外纳米技术可以应用于传统的二维电子气体。系统比较传统2D电子气体和石墨烯的纳米图像将是十分必要的，因为它能直接揭示阻力系数的差异。1、Zhao, W., Zhao, S., Li, H. et al. Efficient Fizeau drag from Dirac electrons in monolayer graphene. Nature 594, 517–521 (2021).DOI:10.1038/s41586-021-03574-4https://doi.org/10.1038/s41586-021-03574-42、Dong, Y., Xiong, L., Phinney, I.Y. et al. Fizeau drag in graphene plasmonics. Nature 594, 513–516 (2021).DOI:10.1038/s41586-021-03640-xhttps://doi.org/10.1038/s41586-021-03640-x3、Hugen Yan. Nature 594, 498-499 (2021)DOI:10.1038/d41586-021-01599-3https://doi.org/10.1038/d41586-021-01599-3
