不可解的小型化：由石墨烯等离子体实现的光最小腔

在随机放置在基于石墨烯的异质结构下方的银纳米孔下方的光的艺术例证。

小型化已经启用了如此多的梦想。缩小电子电路允许我们访问像智能手机，健康手表，医疗探针，纳米卫星，几十年前不可想的技术。立即想象在60年代，晶体管从尺寸的手掌尺寸到14纳米，比头发直径小1000倍。

小型化对光学电路的新时代推动了技术。但是，并行，它还引发了克服的新挑战和障碍，例如，如何处理纳米级的控制和引导光。新技术一直在寻找将光线融入极其微小的空间的方法上升，比当前的数百万倍。研究人员早些时候发现金属可以压缩低于波长级（衍射极限）的光。

在该方面，石墨烯 - 由单层碳原子组成的材料，具有特殊的光学和电性能，能够以“等离子体”的形式引导光，这是与光线相互作用的电子的振动。这些石墨烯等离子体具有将光线限制在非常小的空间中的天然能力。然而，直到现在，只有在一个方向上可以将这些等离子体限制在一个方向上，而实际的光与小颗粒相互作用，如原子和分子，则在可以被压缩中的体积中。在所有三个维度中，这种类型的限制通常被认为是光学腔。

在最近发表于科学的一项研究中，ICFO研究人员Itai Epstein，David Alcaraz，Varum-Varma Pusapati，Avinash Kumar，Tymofiy Khodkow，由ICFO Frank Koppens领导，与MIT，Duke University，UniversitéAris-的研究人员合作SACLAY和Universidad Do Minho，通过将纳米尺寸的金属立方体整合在石墨烯片上，成功地为石墨烯等离子体构建了一种新型的腔体。它们的方法使能实现用于红外光构造的最小光学腔，其基于这些等离子体。

在实验中，它们的尺寸使用50纳米的银纳米孔，其随机洒在石墨烯片的顶部，没有比图案或取向。这允许每个纳米轴与石墨烯一起用作单个腔。然后，它们通过装置发送红外光并观察到使等离子体传播到金属纳米内和石墨烯之间的空间中的方式，仅被压缩到非常小的体积。

作为ITAIE Epstein，第一个作者的研究，评论，“我们在这个实验中遇到的主要障碍仍在居中，即红外范围中的光的波长非常大，立方体非常小，大约200倍，因此，让他们互相互动是极其困难的。“

为了克服这一点，它们使用了一种特殊的现象 - 当石墨烯等离子体与纳米尺相互作用时，它们能够产生特殊的共振，称为磁共振。作为Epstein澄清，“磁共振的独特性质是它可以作为一种天线，桥接纳米内的小尺寸与大规模的光线之间的差异。”因此，所产生的共振保持在立方体和石墨烯之间的等离子体在非常小的体积之间移动，这是比普通红外光的体积小的10亿倍，以前从未在光学限制之前实现。更重要的是，当与光相互作用时，它们能够看到单个石墨烯-立方体腔，其作为一种能够非常有效地散射红外光的新型纳米天线。

该研究的结果对于分子和生物传感领域非常有前途，是医学，生物技术，食物检验甚至安全性的重要性，因为这种方法能够大大加强光学场，从而检测通常回应的分子材料红外光。

作为Koppens教授所说的“这种成就是非常重要的，因为它允许我们调整等离子体模式的体积以驱动它们与小颗粒的相互作用，如分子或原子，并且能够检测和研究它们。我们知道光谱的红外线和太赫兹范围提供了有关分子振动共振的有价值的信息，打开相互作用和检测分子材料的可能性以及使用这是一个有前途的传感技术。“

参考：“具有超压缩模式 - 卷的单个石墨烯等离子体洞穴的远场励磁”由Itai Epstein，David Alcaraz，Zhiqin Huang，Varun-Varma Pusapati，Jean-Paul Hugonin，Avinash Kumar，Xander M.副，Tatiana副，Tatiana G. Rappoport，金庸洪，尼诺省Mr Peres，景康，大卫史密斯和弗兰克HL Koppens，2020年6月12日，Science.doi：
10.1126 / science.abb1570