加州大学伯克利分校王枫Nature:单层石墨烯中等离子体多普勒效应的实验观察

【引言】

菲佐在1850年证明了光速在运动介质中传播时可以改变。然而，快速移动的电子介质并不能通过通过电流实现光速的有效控制。由于电子与光之间的强电磁耦合导致了等离子体极化子的集体激发，这可以被视为等离子体多普勒效应，其中反向传播的等离子体可以根据移动的电子介质具有不同的速度。等离子体多普勒效应在传统贵金属中小到可以忽略不计，原因在于等离子体速度比在这些金属中可实现的最高漂移速度大一百万倍以上，对电子系统中等离子体漂移效应的实验观测一直面临挑战。最近的理论预测，由于低载流子密度、高电子迁移率和强等离子体极化子限制，石墨烯中的二维（2D）狄拉克电子提供了实现强等离子体多普勒效应的理想平台。与常规金属相比，电子漂移速度在石墨烯中要高几个数量级。同时，石墨烯等离子体具有超高场限制，导致等离子体群速度比光速小两个数量级。这种多普勒效应已被预测会打破石墨烯在非局部极限下的石墨烯光学响应中的时间反转对称性，并产生非互易性的表面等离子体传播。

今日，美国加州大学伯克利分校王枫教授（通讯作者）报道了单层石墨烯中等离子体多普勒效应的实验观察。利用低温扫描近场红外纳米技术，即使在石墨烯中的大偏置电流下，也可以测量真实空间中多普勒引起的波长偏移。本文中两端石墨烯器件由完全封装在六方氮化硼 (hBN) 中的超洁净单层石墨烯和作为集成等离子体发射器的纳米金纳米棒组成。由金纳米棒发射的等离子体通过近场红外纳米显微镜成像，它显示出由偏压电流（以及电子漂移速度）进行的大量调制。作者通过监测正负电流的等离子体电流波长变化来量化等离子体多普勒效应，并观察到当偏置电流密度为±0.8 mA μm^-1时，多普勒诱导的波长调制高达3.6%，其实验结果与现有的理论模型一致。这种强的等离子体多普勒效应为探索石墨烯和其他高迁移率二维材料中的非互易性等离子体现象提供了新的机会。相关研究成果以“Efficient Fizeau drag from Dirac electrons in monolayer graphene”为题发表在Nature上。

【图文导读】

图一、石墨烯器件中的多普勒效应示意图

图二、不同驱动电流下传播等离子体的近场信号

图三、石墨烯等离子体波长的依赖关系

图四、石墨烯等离子体色散和多普勒引起的波长偏移

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

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