科学家们对以等离子体极子形式传播的太赫兹波进行成像和分析
发布时间：2023-05-11 08:00:00 阅读数： 95
一个国际研究小组对以质子偏振子形式传播的太赫兹波进行了成像和检查，该波与各向异性的薄型半导体板块一起传播，其波长比自由空间的太赫兹波减少多达65倍。
平面内椭圆声学太赫兹等离子体极子的艺术插图，它沿着金镜上方的Ag2Te薄板传播，被锋利的太赫兹照明金属尖端所激发和探测。图片来源：Scixel。版权所有： CIC nanoGUNE
这是与巴斯克研究中心CIC nanoGUNE、上海科技大学、复旦大学（上海）、布尔诺理工大学、巴斯克地区大学、材料物理中心（CSIC-UPV/EHU）、多诺斯蒂亚国际物理中心和马克斯-普朗克固体化学物理研究所（德累斯顿）合作完成的。
更为不同的是，波长随着传播方向的变化而变化。这样的太赫兹波可用于探测纳米尺度的基本材料特性，它为开发超紧凑的片上太赫兹设备创造了条件。
这项研究已在《自然-材料》杂志上报告。
极子被称为光和物质的混合状态，它是由光与物质激发的耦合产生的。声子和等离子体极子是非常值得注意的例子，由光与集体电子振荡和晶格振动以各自的方式耦合而形成。
它们在一些应用中发挥着重要作用，从亚衍射光学光谱和超灵敏化学传感器到通信应用的超小型调制器。
在薄层中，偏振子有可能以比相应光子波长短100倍的波长传播。这使得在更小的范围内对光进行操纵成为可能，这比早期的传统光子设备要小得多。
虽然这些超约束极子大多以中红外光谱范围内的声子极子形式被注意到，但科学家们强调了质子极子，因为它们可以存在于更广泛的光谱范围内。
另一方面，质子多极子经常受到大阻尼的影响，导致传播长度短。这对观察真实空间中的超约束质子一直是个挑战。---陈曙，研究第一作者，国家基础科学中心-太赫兹科技前沿太赫兹技术创新研究院
利用CIC nanoGUNE（西班牙圣塞巴斯蒂安）Rainer Hillenbrand实验室的太赫兹纳米镜（更准确地说，是太赫兹散射型扫描近场光学显微镜，s-SNOM），Chen了解了低对称性晶体碲化银（Ag2Te；Hessite）的薄板，并首次实现了太赫兹质子的实空间图像，其波长范围比光子波长减少65倍，并随传播方向变化。
"碲化银是一种窄带隙半导体，具有相对较高的移动电子浓度，这使得这种材料在太赫兹频率下具有等离子体，"同样有贡献的第一作者冷鹏亮说，他在复旦大学（中国上海）的修法贤实验室制造了这些小板。
由于低对称性的单斜晶结构，有效电子质量沿小板表面具有强烈的各向异性，这解释了各向异性的等离子体极子传播。---复旦大学物理系修发先
此外，科学家们还说明，通过将太赫兹极子与相邻金属基底的镜像联系起来，可以大大增加太赫兹极子的比较传播长度。
由于这种耦合，形成了所谓的声等离子体极子。--Andrea Konečná，布尔诺大学（捷克共和国）
Konečná对声学极子进行了理论上的建模。
来自nanoGUNE的Rainer Hillenbrand补充说："最重要的是，极子传播的各向异性在质量上得到了保留，较长的相对传播长度使我们能够明确地验证极子以椭圆波面传播"，他负责这项工作。
椭圆声学多极子的较长传播长度最终使科学家们能够确定平面内各向异性的有效电子质量，从而建立了一种在室温下测量定向有效载流子质量的纳米级特殊技术。
通过探索传统和新型量子材料的基本材料特性，超约束的面内各向异性声学等离子体极子可能导致超紧凑的片上太赫兹应用。
存在于极化层和金属表面之间的强大场集中可能被利用于场增强的分子传感或促进（超）强太赫兹光-物质耦合与经典的二维电子气体、分子或量子材料。
参考资料：Chen, S., et al. (2023) Real-space observation of ultraconfined in-plane anisotropic acoustic terahertz plasmon polaritons. Nature Materials. doi.org/10.1038/s41563-023-01547-8.
