石墨烯等离子体激元实现的最小光腔

小型化已使智能手机，健康手表，医疗探头和纳米卫星等技术成为可能，这在几十年前是无法想象的。试想一下，在60年的时间里，晶体管的尺寸从手掌大小缩小到14纳米，比头发的直径小1000倍。

小型化将技术推向了光学电路的新时代。但与此同时，它也引发了新的挑战和障碍，例如，控制和引导纳米级的光。研究人员正在寻找将光限制在极小的空间中的技术，该空间比目前的空间小百万倍。较早的研究发现，金属可以压缩低于波长范围(衍射极限)的光。

在那个方面，石墨烯是一种由单层碳原子组成的材料，具有出色的光学和电学性能，能够以等离子体激元的形式引导光，等离子体激元是与光强烈相互作用的电子的振荡。这些石墨烯等离子体激元具有将光限制在非常小的空间中的天然能力。然而，直到现在，只能将这些等离激元限制在一个方向上，而光与诸如原子和分子之类的小粒子相互作用的实际能力却存在于可压缩的体积中。在所有三个维度上的这种限制通常被认为是光学腔。

ICFO研究人员Itai Epstein，David Alcaraz，Varum-Varma Pusapati，Avinash Kumar，Tymofiy Khodkow由ICFO教授Frank Koppens领导，与来自MIT，杜克大学，巴黎大学的研究人员合作，在《科学》杂志上发表了一项最新研究Saclay和Minho大学通过在石墨烯片上集成纳米尺寸的金属立方体，建立了一种新型的石墨烯等离子体腔。他们的方法使他们能够实现基于这些等离激元的最小的红外光腔。

在他们的实验中，他们使用了大小为50纳米的银纳米立方体，这些立方体随机散布在石墨烯片的顶部，没有特定的图案或方向。这允许每个纳米立方体与石墨烯一起充当单个空腔。然后，他们将红外光通过该设备，并观察了等离激元如何传播到金属纳米立方体和石墨烯之间的空间中，仅被压缩到很小的体积。

该研究的第一作者伊泰·爱泼斯坦(Itai Epstein)说：“我们在此实验中遇到的主要障碍在于，红外范围内的光波长非常大，立方体非常小，大约小200倍，因此要使他们彼此互动非常困难。”

为了克服这个问题，他们使用了一种特殊的现象-当石墨烯等离子体激元与纳米立方体相互作用时，它们能够产生磁共振。爱泼斯坦说：“磁共振的独特性质是它可以充当一种天线，弥合纳米立方体的小尺寸和大尺寸光之间的差异。”

因此，产生的共振将等离激元维持在立方体和石墨烯之间的极小体积，这比常规红外光的体积小100亿倍，这在光学限制中是前所未有的。此外，他们能够看到单个石墨烯-立方体腔在与光相互作用时充当了一种新型的纳米天线，能够非常有效地散射红外光。

研究结果对于分子和生物传感领域非常有希望，对医学，生物技术，食品检验乃至安全性都非常重要，因为这种方法能够显着增强光场，从而检测通常能响应光的分子物质。红外线。

Koppens教授说：“这项成就非常重要，因为它使我们能够调整等离激元模式的体积，以驱动它们与小颗粒(如分子或原子)的相互作用，并能够对其进行检测和研究。我们知道光谱的红外和太赫兹范围提供了有关分子振动共振的有价值的信息，为相互作用和检测分子材料以及将其用作有前途的传感技术提供了可能性。”

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