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原子薄膜中等离子体激元的热操纵

信息来源:星火计划 发布时间:【2020-08-16 】 点击次数:
过去十年中,石墨烯中的表面等离子体激元因其非常吸引人的特性而被广泛研究,例如通过电门控具有很强的光学特性可调谐性,以及相对较高的等离子体激元寿命。但是,这些优异的性能仅限于从中红外(mid-IR)到太赫兹(THz)光谱区域的较低频率。另外,不能以超快的方式实现石墨烯的电可调性,这给石墨烯在越来越重要的高速技术设备中的应用带来了障碍。
设想的在石墨烯/超铀金属膜异质结构上的泵浦探针实验的示意图。非常强的泵浦光束(用红色表示)用于将石墨烯中的电子强烈加热到数千个开尔文。石墨烯中电子温度的这种升高严重影响了系统的光学性能,从而允许对入射到系统上的探测光束(以绿色表示)进行超快速调制。图片来源:Eduardo JC Dias,Renwen Yu,F。JavierGarcíade Abajo
在《光科学与应用》(Light Science&Application)上发表的一篇新论文中,来自ICFO-Institut de Ciencies Fotoniques(西班牙巴塞罗那)的团队提出了一种全光学技术,用于调节石墨烯和/或薄金属基系统的等离子体响应。一个超快在从中红外到可见(vis-NIR)频率范围内的频谱。他们提出了一种泵浦探针设置,其中使用超快且非常强的泵浦光束来加热石墨烯的电子。基于这种二维材料的低热容量(这意味着该材料吸收的少量能量会导致其电子温度大幅上升),以及石墨烯电导率对其电子温度的强烈依赖性,系统的光学特性将受到电子温度升高的调节,而这可以通过探测光束进行测量。
 
有趣的是,该技术不仅可以用于石墨烯片中的全等离子体激发等离子体激元,还可以用于在其附近的金属薄层中激发全等离子体激元。在同一个小组进行了先前的工作之后,他们建议通过对泵浦光束进行工程设计,使其波前强度在空间上周期性地变化。这样,石墨烯中的电子温度(及其随后的电导率)在片材表面也局部变化,充当有效的光栅,将探测光束散射并将其耦合到等离激元中。根据探测光束的波长以及石墨烯片附近是否存在金属薄膜,该技术可用于激发石墨烯等离激元(mid-IR),金属等离激元(vis-NIR)或混合声等离激元(THz) )。“通过这种方式,
 
另一方面,作者建议采用纳米级光热效应,以实现光的超快调制。他们设想了一种结构,该结构由掺杂有一定费米能级的石墨烯片顶部的薄金属光栅组成。然后,通过泵浦束提高石墨烯电子的温度,石墨烯的化学势将降低,并且石墨烯的带间跃迁在较低能量下将变得显着,并将淬灭通过探测束的反射测得的等离激元峰。。作者声称:“石墨烯电子的温度可以达到数千个开尔文温度,从而导致反射峰的阻尼高达70%。” 在石墨烯声等离子体中可以观察到类似的效果,但是在这种情况下,淬灭的原因是石墨烯非弹性损耗随电子温度的增加而增加。这组作者补充说:“在两种情况下,光响应的调制都是超快的,与其他方法不同,例如电改变石墨烯的费米能级。”
 
作者总结说:“我们的研究为原子薄材料中的光学响应的​​主动光热操纵开辟了一条有希望的途径,并有望在超快光调制中应用。”

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