ICFO 艺术插图的光压缩下方的银纳米立方体随机放置在石墨烯基异质结构
信用:Matteo Ceccanti 小型化使智能手机、健康手表、医疗探头和纳米卫星等技术成为可能，这些在几十年前都是不可想象的
想象一下，在60年的时间里，晶体管已经从手掌大小缩小到14纳米，比一根头发的直径小1000倍
小型化将技术推向了光学电路的新时代
但与此同时，它也引发了新的挑战和障碍，例如，控制和引导纳米尺度的光
研究人员正在寻找技术，将光线限制在极其微小的空间内，比现在的空间小数百万倍
此前的研究发现，金属可以压缩低于波长范围(衍射极限)的光
在这方面，石墨烯，一种由单层碳原子组成的材料，显示出优异的光学和电学性能，能够以等离子体激元的形式引导光，等离子体激元是与光强烈相互作用的电子的振荡
这些石墨烯等离子体团具有将光限制在非常小的空间的自然能力
然而，直到现在，只可能将这些等离子体团限制在一个方向，而光与像原子和分子这样的小粒子相互作用的实际能力存在于它可以被压缩的体积中
这种三维约束通常被认为是光学腔
在最近发表在《科学》杂志上的一项研究中，由ICREA教授领导的ICFO研究人员伊泰·爱泼斯坦、大卫·阿尔卡拉兹、瓦勒姆-瓦玛·普萨帕蒂、阿维纳什·库马尔、季莫菲·霍科夫
在ICFO大学，弗兰克·科彭斯与麻省理工学院、杜克大学、巴黎萨克莱大学和胡志明大学的研究人员合作，通过在石墨烯片上集成纳米尺寸的金属立方体，为石墨烯等离子体振子构建了一种新型的腔体
他们的方法使他们能够实现基于这些等离子体激元为红外光建造的最小光学腔
在他们的实验中，他们使用了50纳米大小的银纳米立方体，这些立方体随机分布在石墨烯片的顶部，没有特定的图案或方向
这使得每个纳米立方体和石墨烯一起作为一个单独的空腔
然后，他们通过该设备发送红外光，观察等离子体如何传播到金属纳米立方体和石墨烯之间的空间，仅被压缩到非常小的体积
这项研究的第一作者伊泰·爱泼斯坦说:“我们在这个实验中遇到的主要障碍在于，红外范围内的光的波长非常大，立方体非常小，大约小200倍，所以很难使它们相互作用
" 为了克服这一点，他们使用了一种特殊的现象——当石墨烯等离子体与纳米立方体相互作用时，它们能够产生磁共振
爱泼斯坦说，“磁共振的一个独特性质是它可以作为一种天线，弥合纳米立方体的小尺寸和大尺寸光之间的差异
" 因此，产生的共振使等离子体在立方体和石墨烯之间的运动保持在非常小的体积内，这比常规红外光的体积小100亿倍，这在光学限制中是前所未有的
此外，他们能够看到单个石墨烯立方体空腔，当与光相互作用时，作为一种新型的纳米天线，能够非常有效地散射红外光
这项研究的结果在分子和生物传感领域极有前途，对医学、生物技术、食品检验甚至安全都很重要，因为这种方法能够大大增强光场，从而探测通常对红外光有反应的分子材料
教授
科彭斯说，“这一成就非常重要，因为它允许我们调整等离子体模式的体积，以驱动它们与小粒子(如分子或原子)的相互作用，并能够检测和研究它们
我们知道，光谱的红外和太赫兹范围提供了关于分子振动共振的有价值的信息，为相互作用和检测分子材料以及将其用作有前途的传感技术打开了可能性
"
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