更快的电路与更高带宽的准粒子图像

　　Zhe Fei指着其电脑屏幕上闪过的或明或暗的竖线。解释说，这种纳米图像显示了与在半导体内部移动的半光、半物质准粒子有关的波。

　　“这些波就像水波一样，”爱荷华州立大学物理和天文学助理教授Fei说，他是美国能源部Ames实验室的一名职员。“就像把石头扔到水面上，看到波浪一样。但这些波是激子极化激元。”

　　激子极化激元是光和物质的一个组合。像所有的准粒子一样，它们在固体内产生，并且具有能量和动量等物理性质。在这项研究中，它们是通过将一束明亮的激光照射在一个瞄准着一个二硒化钼（MoSe2）薄片的纳米成像系统的尖端上来产生的，二硒化钼是一种支持激子的层状半导体。

　　当光被半导体吸收时会形成激子。当激子与光子强烈耦合时，它们会产生激子极化激元。

　　这是学者第一次对激子极化激元进行了实际空间成像。Fei说，过去的研究项目使用光谱研究来将激子极化激元记录为光学光谱上的共振峰或谷。直到最近几年，大多数的研究只在极低的温度下——低至华氏零下450度——观察到了准粒子。

　　但Fei和他的研究小组用其校内实验室的扫描近场光学显微镜在室温下来对准粒子进行纳米光学成像。

　　“我们第一次展示了这些准粒子的图像以及它们传播，干涉和发射的方式，”Fei说。

　　例如，研究人员测量了室温下激子极化激元在超过12微米的长度上的传播。

　　Fei说，在室温下产生激子极化激元以及表征其传播特性对于为该准粒子开发未来应用具有重要的意义。有一天，它们甚至可以用来构建纳米光子电路来在纳米能量或信息传递中取代电子电路。

　　Fei说，具有极大带宽的纳米光子电路可以比目前的电子电路快100万倍。

　　由Fei领导的一个研究小组最近在《自然*光子学》杂志上发表了这一发现。该论文的第一作者是爱荷华州立大学的物理学和天文学博士后Fengrui Hu。其他的共同作者包括：爱荷华州立大学物理学和天文学博士生Yilong Luan；华盛顿大学刚毕业的大学生Marie Scott；橡树岭国家实验室和田纳西大学的Jiaqiang Yan和David Mandrus；以及华盛顿大学的Xiaodong Xu。

　　研究人员的工作得到了爱荷华州立大学和Ames实验室的资金支持，从而启动了Fei的研究计划。洛杉矶的W.M.Keck基金会也部分资助了该项目的纳米光学成像。

　　研究人员还发现，通过改变MoSe2半导体的厚度，他们可以操纵激子极化激元的特性。

　　从在加利福尼亚大学圣地亚哥分校读研究生开始就一直在研究石墨和其他二维材料中的准粒子的Fei说，他早期的工作为激子极化激元的研究打开了一扇大门。

　　“我们需要进一步探索激子极化激元的物理原理以及这些准粒子可以被如何操纵，”他说。

　　这可能会带来新的器件，如量子晶体管，Fei说。而这有一天可能会导致光子和量子技术的突破。