NATURE: 石墨烯材料可以克服等离子体传播极限

等离子体的电子振荡可以将光限制在纳米尺度并进行操纵，但等离子体激元会造成能量损失。光限制越严格，等离子激元的寿命越短。这是这些振荡的实际使用中的主要障碍。

在一篇刊登在NATURE的论文中，NI等人使用称为扫描近场光学显微镜的技术在低温研究石墨烯这种单层碳原子中的等离子体激元。作者表明，石墨烯等离子体激元可以产生非常紧凑的光限制，同时保持较长的使用寿命。

光的传播涉及电场和磁场的振荡。这种振荡定义了光的频率和波长之间的关系，并支撑了衍射极限。事实上，在自由空间中，如果光通过比其波长更窄的区域，光就会散开。当光与等离子体相互作用时，它的速度可以大大降低，从而使其被限制在远小于其自由空间波长的距离内。因此，等离子体激元已经成为控制纳米级光行为的通用工具。然而，将光限制在其波长之下的相同光等离激元相互作用也使得能量通过电子的散射而损失。

为了推动等离子体激元传播的极限，Ni和同事在含有高质量石墨烯的装置中在低温下发射和成像等离子体。这些温度的使用使由温度敏感过程引起的损失最小化。作者定制了一种被称为扫描近场光学显微镜的仪器，以便它可以在低温下运行。尽管这些仪器常用于在室温下研究等离子体激元，但在较低温度下操作它们一直很困难。

Ni等人使用显微镜的狭窄金属尖端在石墨烯装置中发射等离子体激元。然后，他们扫描装置上的尖端，以便对从器件边缘反射的等离子体激元产生的干涉图案和器件表面上的微结构进行成像。这种技术特别有用，因为它在设备内部发射等离子体激元，限制了与设备边缘相互作用造成的损耗。在其他方法中，这种损失可能很大。

Ni和同事们的劳动成果是明显的等离子干涉条纹，这些条纹在整个装置中被发现，并且从任何边界延伸出几微米。这些条纹使得整个设备以特有的洗衣板状图案“点亮”。这些等离子体同时具有相对长的寿命，并将光限制在小于自由空间波长六分之一的距离。它们的质量因数是130，这是能够实现如此紧凑的光限制的等离子体激元的记录。因此，等离子体的性能在严格限制和高损失之间进行了平衡。这是可能的，因为作者的石墨烯装置的质量极高，它含有高度移动的电子，可以在几微米内移动而不会散射。

引人注目的是，利用详细的建模和系统收集的温度相关数据的组合，Ni和他的同事确定低温下能量损失的主要原因不是石墨烯中的电子散射。相反，等离子体激元损失主要来自包围石墨烯的绝缘材料。因此可以通过减少这些外部损耗来改善等离子体的质量。

Ni和同事的石墨烯等离子体激元的卓越品质为纳米光子平台树立了新的标准。现在可以认为这种等离子体激元中的严密限制光线具有高度稳定性，能够在几微米的距离上进行定向和操纵。未来的可能性是巨大的，从基础到应用。作者的高品质石墨烯等离子体，结合最近开发的技术，大幅减少等离子体的整体尺寸，为石墨烯基纳米光子学提供了一个引人注目的案例。

然而，也许最令人兴奋的是利用低温扫描近场光学显微镜探测等离子体以外的激发物的前景。