研究背景

表面等离子体激元，一种耦合的电磁和电子振荡模式，具有在亚波长范围限制和操纵光的独特能力。光-物质相互作用的等离子体增强在纳米光子学中起着关键作用，从纳米级非线性光学到量子光学到平面光学。在这种应用中，等离子体激元的电控制是非常理想的。等离子体激元控制的一个有趣的可能性是通过斐索拖曳，其中移动的电子介质调制等离子体激元的传播速度。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根据移动的电子介质可以具有不同的速度。

在传统贵金属中，等离子体多普勒效应可以忽略不计，因为等离子体速度比这些金属中可达到的最高漂移速度大100多万倍。最近的理论预测，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，这是由于低载流子密度、高电子迁移率和强等离子体激元限制的结合。与传统金属相比，石墨烯中的电子漂移速度(vd)高几个数量级，可以达到3×10⁵m·s^-1，同时，石墨烯等离子体具有超高的场限制，导致等离子体群速度(vp)约为2×10⁶m·s^-1，比光速小两个数量级。当电子漂移速度vd达到等离子体速度的很大一部分时，在电偏置石墨烯中会出现显著的等离子体多普勒效应。已经预测这种多普勒效应会打破石墨烯光学响应在非局部极限中的时间反转对称性，并产生非互易表面等离子体传播。

研究成果 1

斐索在1850年证明了当光在运动介质中传播时，它的速度是可以改变的。然而，这种对光速的控制还没有通过电流在快速移动的电子介质中有效地实现。因为电子和光之间的强电磁耦合导致等离子体激元的集体激发，所以假设电子流系统中的斐索阻力表现为等离子体多普勒效应。电子系统中等离子体多普勒效应的实验观察一直是个挑战，因为等离子体传播速度比传统贵金属中的电子漂移速度快得多。近日，加州大学伯克利分校王枫教授课题组报道了通过利用高电子迁移率和无质量狄拉克电子的慢等离子体传播，在强偏置单层石墨烯中等离子体激元的斐索拖曳的直接观察。石墨烯中的大偏置电流产生了一种快速漂移的狄拉克电子介质，其中含有等离子体激元。这导致非互易等离子体传播，其中等离子体随着漂移的电子介质以增强的速度传播。作者使用低温近场红外纳米镜测量多普勒频移等离子体波长，该纳米镜在低温下直接成像偏置石墨烯中的等离子体激元模式。观察到随着电子介质移动的等离子体和逆着电子介质移动的等离子体之间的等离子体波长差高达3.6%。这项关于等离子体多普勒效应的发现为非平衡系统中非互易表面等离子体激元的电学控制提供了机会。相关研究工作以“Efficient Fizeau drag from Dirac electrons in monolayer graphene”为题发表在国际顶级期刊《Nature》上。

链接：https://www.nature.com/articles/s41586-021-03574-4

图1. 石墨烯器件中的多普勒效应示意图

图2. 石墨烯等离子体波长的门控依赖性

就在同一天，Nature刊登了哥伦比亚大学D. N. Basov教授课题组的石墨烯等离子体漂移电子拖曳相关研究。

研究成果 2

石墨烯为观察等离子体激元斐索阻力提供了理想的介质，因为它支持高度受限、长寿命和电可调的等离子体激元的传播。至关重要的是，石墨烯还能承受超高电流密度(1毫安每微米量级)，因此载流子漂移速度u可与SPP群速度相媲美。

斐索预测了移动介质对光的拖曳，并通过斐索著名的流水实验进行了验证。这一重大发现是爱因斯坦狭义相对论的实验基石之一，在相对论运动学的背景下得到很好的理解。相比之下，固体中电子流拖动光子的实验充满了不一致性，迄今为止还没有与理论相一致。今日，哥伦比亚大学D. N. Basov教授等人报道了电子流动拖曳表面等离子体激元 (SPPs):石墨烯中红外光子和电子的混合准粒子。在高密度电流存在的情况下，通过传播等离子体波的红外纳米成像可以直接观察到阻力。石墨烯中的极化子在与漂移的载流子传播时会缩短它们的波长。与光的斐索效应不同，由电流引起的自旋粒子阻力无法用简单的运动学来解释，它与石墨烯中狄拉克电子的非线性电动力学有关。所观察到的等离子体斐索曳力能够在红外频率下打破时间反转对称性和对称性，而无需借助磁场或手征光泵。斐索阻力还提供了一个工具，用来研究电子液体中的相互作用和非平衡效应。相关研究工作以“Fizeau drag in graphene plasmonics”为题发表在国际顶级期刊《Nature》上。

图1. 石墨烯中的等离子体斐索阻力理论和模型

图2. 等离子体斐索阻力的实验演示

链接：https://www.nature.com/articles/s41586-021-03640-x

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