近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國家研究中心國際功能材料量子設(shè)計中心、物理學(xué)院、中科院強耦合量子材料物理重點實驗室曾長淦教授課題組與深圳大學(xué)李曉光研究員課題組實驗與理論合作，在石墨烯耦合等離激元衰減調(diào)控方面取得重要進展。通過調(diào)節(jié)石墨烯的費米能級，設(shè)計并引入了一個額外的衰減通道，從而實現(xiàn)了耦合等離激元壽命的遠程調(diào)控，并結(jié)合理論闡明了其衰減調(diào)控機制。相關(guān)結(jié)果于11月30日以“Electric Field-Controlled Damping Switches of Coupled Dirac Plasmons”為題發(fā)表在著名物理期刊《Physical Review Letters》上，并被刊物編輯部評選為Editors’ Suggestion。

準粒子是凝聚態(tài)物理中最重要的基本概念之一。光與物質(zhì)的相互作用可以形成等離激元、激子、聲子極化子等準粒子，這些準粒子展現(xiàn)了豐富的物理特性以及廣闊的應(yīng)用前景，例如等離激元超材料、激子波色-愛因斯坦凝聚、納米聲子諧振器等。而壽命是這些準粒子的一個關(guān)鍵參量，合適的壽命是準粒子豐富物性能否被探測以及轉(zhuǎn)換到實際應(yīng)用中的前提。因此，大量的研究工作聚焦于探究準粒子的衰減機制以及尋找具有本征合適壽命的體系。而另一個重要的研究方向就是探索準粒子壽命主動調(diào)控的方法，這將為準粒子相關(guān)體系的研究與應(yīng)用提供新的抓手。

曾長淦教授研究團隊一直致力于準粒子體系、特別是等離激元體系的量子調(diào)控行為研究，在前期工作中，發(fā)現(xiàn)電子-等離激元耦合對石墨烯電子輸運過程中的量子相干性有極大的增強效應(yīng)（Phys. Rev. Lett. 119, 156803 (2017)），利用可調(diào)臺階勢壘實現(xiàn)了等離激元激發(fā)與傳播的量子調(diào)控（Nano Lett. 18, 1373 (2018)）。

近期，曾長淦教授研究團隊與深圳大學(xué)李曉光研究員課題組合作，結(jié)合散射式掃描近場光學(xué)顯微鏡和無規(guī)相近似理論計算方法，對石墨烯/氮化硼/石墨烯結(jié)構(gòu)中的耦合狄拉克等離激元開展了系統(tǒng)研究，并實現(xiàn)了耦合等離激元的多維度調(diào)控。由于庫倫相互作用，兩層石墨烯的等離激元通過長程耦合形成波長更長、強度更高的光學(xué)耦合模式。通過改變石墨烯載流子濃度和層間間距等參量，可以實現(xiàn)波長、強度的大幅調(diào)節(jié)。更重要的是，耦合等離激元的壽命可以通過電場控制的衰減通道進行遠程調(diào)控。該團隊利用石墨烯的狄拉克線性色散，將其中一層石墨烯設(shè)計成為衰減調(diào)幅器，通過改變其費米能級實現(xiàn)了衰減通道的打開和關(guān)閉，進而實現(xiàn)了準粒子壽命的主動控制。該工作設(shè)計了一種納米光子學(xué)的原型器件，并為其他準粒子壽命的主動調(diào)控提供了新的思路。

圖注：石墨烯耦合等離激元示意圖（圖a）、通過載流子濃度調(diào)節(jié)實現(xiàn)耦合等離激元衰減調(diào)控（圖b）、衰減調(diào)控機制以及衰減開關(guān)示意圖（圖c,d）

物理系博士研究生張華洋和物理系特任副研究員范曉東為文章共同第一作者，曾長淦教授、李曉光研究員和范曉東特任副研究員為論文共同通訊作者。上述研究工作得到了國家自然科學(xué)基金委、科技部、中科院以及安徽省的資助。

文章鏈接：https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.129.237402

（合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國家研究中心、物理學(xué)院、中科院量子信息與量子科技創(chuàng)新研究院、科研部）

來源：中國科大新聞網(wǎng)