等離子體的電子振蕩可以將光限制在納米尺度并進(jìn)行操縱，但等離子體激元會(huì)造成能量損失。光限制越嚴(yán)格，等離子激元的壽命越短。這是這些振蕩的實(shí)際使用中的主要障礙。

在一篇刊登在NATURE的論文中，NI等人使用稱(chēng)為掃描近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡的技術(shù)在低溫研究石墨烯這種單層碳原子中的等離子體激元。作者表明，石墨烯等離子體激元可以產(chǎn)生非常緊湊的光限制，同時(shí)保持較長(zhǎng)的使用壽命。

光的傳播涉及電場(chǎng)和磁場(chǎng)的振蕩。這種振蕩定義了光的頻率和波長(zhǎng)之間的關(guān)系，并支撐了衍射極限。事實(shí)上，在自由空間中，如果光通過(guò)比其波長(zhǎng)更窄的區(qū)域，光就會(huì)散開(kāi)。當(dāng)光與等離子體相互作用時(shí)，它的速度可以大大降低，從而使其被限制在遠(yuǎn)小于其自由空間波長(zhǎng)的距離內(nèi)。因此，等離子體激元已經(jīng)成為控制納米級(jí)光行為的通用工具。然而，將光限制在其波長(zhǎng)之下的相同光等離激元相互作用也使得能量通過(guò)電子的散射而損失。

為了推動(dòng)等離子體激元傳播的極限，Ni和同事在含有高質(zhì)量石墨烯的裝置中在低溫下發(fā)射和成像等離子體。這些溫度的使用使由溫度敏感過(guò)程引起的損失最小化。作者定制了一種被稱(chēng)為掃描近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡的儀器，以便它可以在低溫下運(yùn)行。盡管這些儀器常用于在室溫下研究等離子體激元，但在較低溫度下操作它們一直很困難。

Ni等人使用顯微鏡的狹窄金屬尖端在石墨烯裝置中發(fā)射等離子體激元。然后，他們掃描裝置上的尖端，以便對(duì)從器件邊緣反射的等離子體激元產(chǎn)生的干涉圖案和器件表面上的微結(jié)構(gòu)進(jìn)行成像。這種技術(shù)特別有用，因?yàn)樗谠O(shè)備內(nèi)部發(fā)射等離子體激元，限制了與設(shè)備邊緣相互作用造成的損耗。在其他方法中，這種損失可能很大。

Ni和同事們的勞動(dòng)成果是明顯的等離子干涉條紋，這些條紋在整個(gè)裝置中被發(fā)現(xiàn)，并且從任何邊界延伸出幾微米。這些條紋使得整個(gè)設(shè)備以特有的洗衣板狀圖案“點(diǎn)亮”。這些等離子體同時(shí)具有相對(duì)長(zhǎng)的壽命，并將光限制在小于自由空間波長(zhǎng)六分之一的距離。它們的質(zhì)量因數(shù)是130，這是能夠?qū)崿F(xiàn)如此緊湊的光限制的等離子體激元的記錄。因此，等離子體的性能在嚴(yán)格限制和高損失之間進(jìn)行了平衡。這是可能的，因?yàn)樽髡叩氖┭b置的質(zhì)量極高，它含有高度移動(dòng)的電子，可以在幾微米內(nèi)移動(dòng)而不會(huì)散射。

引人注目的是，利用詳細(xì)的建模和系統(tǒng)收集的溫度相關(guān)數(shù)據(jù)的組合，Ni和他的同事確定低溫下能量損失的主要原因不是石墨烯中的電子散射。相反，等離子體激元損失主要來(lái)自包圍石墨烯的絕緣材料。因此可以通過(guò)減少這些外部損耗來(lái)改善等離子體的質(zhì)量。

Ni和同事的石墨烯等離子體激元的卓越品質(zhì)為納米光子平臺(tái)樹(shù)立了新的標(biāo)準(zhǔn)。現(xiàn)在可以認(rèn)為這種等離子體激元中的嚴(yán)密限制光線具有高度穩(wěn)定性，能夠在幾微米的距離上進(jìn)行定向和操縱。未來(lái)的可能性是巨大的，從基礎(chǔ)到應(yīng)用。作者的高品質(zhì)石墨烯等離子體，結(jié)合最近開(kāi)發(fā)的技術(shù)，大幅減少等離子體的整體尺寸，為石墨烯基納米光子學(xué)提供了一個(gè)引人注目的案例。

然而，也許最令人興奮的是利用低溫掃描近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡探測(cè)等離子體以外的激發(fā)物的前景。