摘要

由光和移动的电子混合激发产生的等离极化激元，可以在纳米尺度上限制长波辐射的能量。等离极化激元也许可以使许多神秘的量子效应成为可能，例如拓扑保护和偶极子禁戒吸收。但实现这种现象的一个必要条件就是延长等离激元的寿命，这对于有超强限域能力的等离激元是非常困难的。石墨烯中的等离极化激元是狄拉克准粒子和红外谱段光子的混合产物，它为我们提供了一个探索光子与物质相互作用的纳米尺度级的研究平台。然而，石墨烯中的等离激元衰减非常剧烈，等离激元的能量损失问题依然没有得到解决。在这篇文章中，我们使用纳米级红外成像系统来研究低温下等离极化激元的传播，它产生于被高迁移率介质包裹的石墨烯中。在这种情况下，等离极化激元的寿命主要受限于包裹石墨烯的介电材料的能量损耗，而电子与声子相互作用的影响很小。在液氮低温度条件下，本征等离激元的传播长度可超过10微米或等离激元波长的50倍，这对于超强限域可调极化的等离激元来说创造了记录。我们的纳米红外成像结果揭示了等离激元衰减的物理过程，这将有助于减少异质结构工程应用中等离激元衰减造成的损耗。

图1：表面等离激元低温下的纳米红外成像照片

图2：高迁移率石墨烯中等离激元和电子的传输特性

图3 等离激元衰减率与温度的函数关系

蓝色曲线是等离激元衰减率γee；红色曲线是经理论计算的电子碰撞率Γee；方形和圆形点是实验过程中实际测量的电子碰撞率Γee

来源：https://www.nature.com/articles/s41586-018-0136-9

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