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《自然通訊》刊登徐紅星教授團隊研究成果:石墨烯中的拓撲等離激元

來源:MG娱乐官网  發布時間:2017-11-13 10:02:12 點擊次數:

物理科學與技術學院、高等研究院徐紅星教授課題組與西班牙光子科學研究所(ICFO)F. Javier García de Abajo教授合作,在石墨烯等離激元的拓撲特性研究方面取得新進展,相關成果以“Topologically protected Dirac plasmons in a graphene superlattice”為題在Nature Communications上發表。論文作者包括潘登、余睿、徐紅星和F. Javier García de Abajo。

光子在光學回路中的傳輸會因為光路的彎曲和缺陷而產生背向散射。這種散射不但會造成信號強度的損失,而且會產生附加的噪聲。與電子的拓撲態類似,光學拓撲態可以避免背向散射的發生,且其傳輸不受邊界形狀和缺陷的影響。諾貝爾獎獲得者Haldane教授通過類比電子的量子霍爾效應最早于2008年提出:在周期性光學結構中利用材料的磁光特性打破時間反演對稱性,可以實現單向傳輸的邊界模式。之后,這種光學霍爾拓撲態在微波波段的實驗中得到驗證。與之后研究中提出的光學拓撲絕緣體相比,光學霍爾拓撲態更容易在簡單結構和材料中實現;更重要的是,因為時間反演對稱性的破壞,光學霍爾拓撲態完全不存在背向散射的通道,從而更加穩定。但是,由于普通材料的磁光響應在高頻率波段非常微弱,高工作頻率和高集成化的光學霍爾拓撲態難以實現。

石墨烯上可以傳輸高度局域的等離激元。中紅外光源(5~10微米)激發的石墨烯等離激元波長僅為幾百納米。這種高局域特性可以使石墨烯中的光與物質相互作用得到巨大增強,石墨烯因此也成為一種構建高集成化的新功能光學器件的重要光學材料,相關研究成為當前前沿熱點。有實驗研究表明,石墨烯的磁光特性在紅外波段得到很大增強。徐紅星教授課題組的論文指出:石墨烯的這種強磁光特性可以用來實現高工作頻率和高集成化的等離激元霍爾拓撲態。

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圖1. 左:等離激元在六角形石墨烯超晶格中形成局域態(1, 2)和單向傳輸的邊界態(3);右:石墨烯超晶格結構中邊界等離激元的電場分布。

他們設計了一種由石墨烯納米帶組成的六角形超晶格。石墨烯納米帶可以看作傳輸等離激元的波導。當施加幾個特斯拉的磁場時,等離激元在超晶格中節點上的散射具有顯著的取向性(如圖所示),這種行為可以類比電子在磁場中的曲線運動。他們的理論計算結果表明:當僅施加2特斯拉磁場時,在超晶格的內部,等離激元會圍繞六角形單元或者超晶格中的缺陷運動,形成局域態;而在超晶格的邊界上,等離激元形成單向傳輸的邊界態,其傳輸不存在反射且不受邊界形狀的影響。該工作在單原子層結構上實現了高工作頻率的等離激元拓撲態。研究中的六角形超晶格是由納米波導組成的光學網絡,可以為進一步的拓撲非互易光計算研究提供平臺。

該研究得到國家重大科學研究計劃項目、國家自然科學基金項目等的資助。

附論文鏈接:

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