Nature Physics | 石墨烯中的“冻结光”

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我们知道，光能量收集的效率与接收面积成正比。单位面积光照强度不变时，面积越大可接收的光场能量就越多。覆盖沙漠的太阳能电池板“田地”就是一个贴切的例子。然而，物体的吸收截面（等于吸收的光功率/入射光强）能够大于自身面积吗？

答案是肯定的。研究表明，当入射光的频率与吸收器件中电子的运动相匹配且发生集体共振时，吸收截面可以是光波长平方的数量级，而此时吸收器本身可以非常小。例如，一个氢原子的面积是埃的平方，但当入射光子频率能够满足氢原子的电子轨道跃迁时（即与电子跃迁频率同步时），它的吸收截面可以增加大约20万倍。因此，共振吸收在微纳光子器件中具有重要的研究价值。

目前，从无线电波到紫外线，电磁波与器件的相互作用均有可能产生共振吸收现象。其中，常规的接收器就是金属天线。然而要提高天线的灵敏度，需要使其在大小上与吸收的电磁波波长相当，否则将降低器件的工作效率。例如，0.1太赫兹频率被提出作为6G移动数据传输的中心频率，将需要大约3毫米大小的天线，这在手机芯片上将占据一个大且昂贵的区域。因此，降低光吸收器尺寸，开发超紧凑的共振光吸收器是当前研究人员关注的焦点。

等离激元共振和回旋共振是两类具有极大应用前景的共振现象。这两种共振能否产生相互作用，并促进更高效的光吸收，是值得深入研究与探讨的问题。

① 名词释义 | 等离激元共振

当光波（电磁波）入射到金属与电介质分界面时，金属表面的自由电子发生集体振荡，电磁波与金属表面自由电子耦合而形成的一种沿着金属表面传播的近场电磁波，如果电子的振荡频率与入射光波的频率一致就会产生共振，在共振状态下电磁场的能量被有效地转变为金属表面自由电子的集体振动能，这时就形成的一种特殊的电磁模式：电磁场被局限在金属表面很小的范围内并发生增强，这种现象就被称为表面等离激元现象。（源自百度百科）

② 名词释义 | 回旋共振

回旋共振就是当半导体中的载流子在一定的恒定磁场和高频电场同时作用下会发生抗磁共振的现象。

鉴于此，近期，来自雷根斯堡大学(德国)、莫斯科物理技术学院(俄罗斯)、堪萨斯大学和麻省理工学院(美国)的研究人员发现了磁化的石墨烯能够将入射电磁波转化为石墨烯表面的超慢表面波（ultra-slow surface waves），从而在共振频率处产生极强的光吸收，且石墨烯器件的尺寸远远小于工作波长。该现象得益于等离激元共振与回旋共振的相互作用。该研究工作“Cyclotron resonance overtones and near-field magnetoabsorption via terahertz Bernstein modes in graphene”为题于近期发表在 Nature Physics.

图1：外加垂直磁场作用下的hBN/graphene/hBN异质结构示意图

图源：Nat. Phys. (2022) doi.org/10.1038/s41567-021-01494-8 Fig. 1d

在该工作中，论文作者研究了回旋共振和等离子体共振同时存在的条件下电磁波的吸收。考虑到太赫兹电磁频段的应用重要性以及实验条件，该实验中电磁波的频率选择在1 THz附近。在外加垂直磁场的作用下，石墨烯发生磁化，使电子“自旋”进入特定轨道，从而创造了回旋共振的条件。

在磁感应强度B大约为1特斯拉的条件下，回旋共振的频率落在期望的太赫兹范围内。在实验中，石墨烯由两片六方氮化硼包裹，形成hBN/graphene/hBN的结构，以保证石墨烯的完整性。入射的激发光先打到与石墨烯结构相接触的窄金属条上，产生高动量的散射电磁波，使其匹配石墨烯的杂化激元的动量（磁化等离激元magnetoplasmon），从而在石墨烯表面激起杂化激元。共振吸收的光能量越多，石墨烯受热越多，其电阻变化越大。因此，石墨烯在激发光作用下的电阻的变化是该实验表征其吸收能力的度量方法。

图2；磁化石墨烯在不同磁感应强度下的吸收率。磁场归一化于某载流子浓度下石墨烯产生回旋共振所对应的磁感应强度。可见吸收最强的地方在于回旋共振的二次谐波处

图源：Nat. Phys. (2022) doi.org/10.1038/s41567-021-01494-8 Fig. 3f

实验结果表明石墨烯的强吸收频率位于回旋共振频率的两倍处，而传统回旋频率下的信号却相对较小。论文作者通过实验和理论的详细对比，发现该强吸收是由于双回旋共振和等离激元共振的相互作用(“杂化”)。在接近双回旋共振频率的地方，表面波会急剧减速，其传播速度几乎降至零，产生慢光效应。因此，入射到石墨烯上的电磁波被捕获并转化为超慢表面波，被“困”在石墨烯中，直到被石墨烯吸收。值得注意的是，该石墨烯结构尺寸仅有8 × 30 μm，远小于所吸收的波长（约2 THz = 150 μm）。

图3：磁化石墨烯的损耗函数随横向波矢q和激发频率f的分布图。虚线表示由于石墨烯等离激元共振与回旋共振二次谐波相互作用形成的杂化激元的激发频率。下方虚线平缓的f-q曲线体现了“慢光效应”

图源：Nat. Phys. (2022) doi.org/10.1038/s41567-021-01494-8 Fig. 3b.

综上，该研究观察到的共振太赫兹吸收对纳米尺度光—物质相互作用的进一步研究有深远的影响，证明了石墨烯等离激元与电子回旋运动之间的相互作用，可以达到强耦合状态，从而促进光响应信号的探测（吸收）。同时，该研究体现了石墨烯二维材料在光吸收器件的尺寸上的巨大优势，有望用于未来太赫兹通信技术中的超小型信号接收器开发。未来，该研究小组将继续探索不需要低温和强磁场的紧凑型超级吸收器。

论文信息：

Bandurin, D.A., Mönch, E., Kapralov, K. et al. Cyclotron resonance overtones and near-field magnetoabsorption via terahertz Bernstein modes in graphene. Nat. Phys. (2022).

https://doi.org/10.1038/s41567-021-01494-8

信息来源：公众号【中国光学】

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