加州大學伯克利分校王楓Nature:單層石墨烯中等離子體多普勒效應的實驗觀察

【引言】

菲佐在1850年證明了光速在運動介質中傳播時可以改變。然而，快速移動的電子介質并不能通過通過電流實現光速的有效控制。由于電子與光之間的強電磁耦合導致了等離子體極化子的集體激發，這可以被視為等離子體多普勒效應，其中反向傳播的等離子體可以根據移動的電子介質具有不同的速度。等離子體多普勒效應在傳統貴金屬中小到可以忽略不計，原因在于等離子體速度比在這些金屬中可實現的最高漂移速度大一百萬倍以上，對電子系統中等離子體漂移效應的實驗觀測一直面臨挑戰。最近的理論預測，由于低載流子密度、高電子遷移率和強等離子體極化子限制，石墨烯中的二維（2D）狄拉克電子提供了實現強等離子體多普勒效應的理想平臺。與常規金屬相比，電子漂移速度在石墨烯中要高幾個數量級。同時，石墨烯等離子體具有超高場限制，導致等離子體群速度比光速小兩個數量級。這種多普勒效應已被預測會打破石墨烯在非局部極限下的石墨烯光學響應中的時間反轉對稱性，并產生非互易性的表面等離子體傳播。

今日，美國加州大學伯克利分校王楓教授（通訊作者）報道了單層石墨烯中等離子體多普勒效應的實驗觀察。利用低溫掃描近場紅外納米技術，即使在石墨烯中的大偏置電流下，也可以測量真實空間中多普勒引起的波長偏移。本文中兩端石墨烯器件由完全封裝在六方氮化硼 (hBN) 中的超潔凈單層石墨烯和作為集成等離子體發射器的納米金納米棒組成。由金納米棒發射的等離子體通過近場紅外納米顯微鏡成像，它顯示出由偏壓電流（以及電子漂移速度）進行的大量調制。作者通過監測正負電流的等離子體電流波長變化來量化等離子體多普勒效應，并觀察到當偏置電流密度為±0.8?mA?μm^-1時，多普勒誘導的波長調制高達3.6%，其實驗結果與現有的理論模型一致。這種強的等離子體多普勒效應為探索石墨烯和其他高遷移率二維材料中的非互易性等離子體現象提供了新的機會。相關研究成果以“Efficient Fizeau drag from Dirac electrons in monolayer graphene”為題發表在Nature上。

【圖文導讀】

圖一、石墨烯器件中的多普勒效應示意圖

圖二、不同驅動電流下傳播等離子體的近場信號

圖三、石墨烯等離子體波長的依賴關系

圖四、石墨烯等離子體色散和多普勒引起的波長偏移

文獻鏈接：“Efficient Fizeau drag from Dirac electrons in monolayer graphene”(Nature，2021，10.1038/s41586-021-03574-4)

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