中国科大在石墨烯耦合等离激元衰减调控方面取得重要进展

近日，中国科学技术大学合肥微尺度物质科学国家研究中心国际功能材料量子设计中心、物理学院、中科院强耦合量子材料物理重点实验室曾长淦教授课题组与深圳大学李晓光研究员课题组实验与理论合作，在石墨烯耦合等离激元衰减调控方面取得重要进展。通过调节石墨烯的费米能级，设计并引入了一个额外的衰减通道，从而实现了耦合等离激元寿命的远程调控，并结合理论阐明了其衰减调控机制。相关结果于11月30日以“Electric Field-Controlled Damping Switches of Coupled Dirac Plasmons”为题发表在著名物理期刊《Physical Review Letters》上，并被刊物编辑部评选为Editors' Suggestion。

准粒子是凝聚态物理中最重要的基本概念之一。光与物质的相互作用可以形成等离激元、激子、声子极化子等准粒子，这些准粒子展现了丰富的物理特性以及广阔的应用前景，例如等离激元超材料、激子波色-爱因斯坦凝聚、纳米声子谐振器等。而寿命是这些准粒子的一个关键参量，合适的寿命是准粒子丰富物性能否被探测以及转换到实际应用中的前提。因此，大量的研究工作聚焦于探究准粒子的衰减机制以及寻找具有本征合适寿命的体系。而另一个重要的研究方向就是探索准粒子寿命主动调控的方法，这将为准粒子相关体系的研究与应用提供新的抓手。

曾长淦教授研究团队一直致力于准粒子体系、特别是等离激元体系的量子调控行为研究，在前期工作中，发现电子-等离激元耦合对石墨烯电子输运过程中的量子相干性有极大的增强效应（Phys. Rev. Lett. 119,156803(2017)），利用可调台阶势垒实现了等离激元激发与传播的量子调控（Nano Lett. 18,1373(2018)）。

近期，曾长淦教授研究团队与深圳大学李晓光研究员课题组合作，结合散射式扫描近场光学显微镜和无规相近似理论计算方法，对石墨烯/氮化硼/石墨烯结构中的耦合狄拉克等离激元开展了系统研究，并实现了耦合等离激元的多维度调控。由于库伦相互作用，两层石墨烯的等离激元通过长程耦合形成波长更长、强度更高的光学耦合模式。通过改变石墨烯载流子浓度和层间间距等参量，可以实现波长、强度的大幅调节。更重要的是，耦合等离激元的寿命可以通过电场控制的衰减通道进行远程调控。该团队利用石墨烯的狄拉克线性色散，将其中一层石墨烯设计成为衰减调幅器，通过改变其费米能级实现了衰减通道的打开和关闭，进而实现了准粒子寿命的主动控制。该工作设计了一种纳米光子学的原型器件，并为其他准粒子寿命的主动调控提供了新的思路。