用于莫尔石墨烯超晶格纳米光的光子晶体

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引言

石墨烯是一种原子级薄的等离子体介质,支持高度限制的等离子体激元或纳米光,具有非常低的损耗。当石墨烯铺设在另一石墨烯层上时,石墨烯的电子特性会发生显着变化,从而产生莫尔超晶格。两层之间的相对扭转角是由此获得的扭曲双层石墨烯(TBG)中的层间耦合的关键调整参数。我们通过红外纳米成像研究了TBG中等离子体激元的传播。我们发现在小扭转角下发生的原子重建将TBG转化为天然等离子体光子晶体,用于传播纳米光。这一发现指出了通过利用石墨烯和其他原子层状范德华材料的量子特性来控制纳米光的途径,

结果与讨论

波长为λ的光0行进通过介质与折射率的周期性变化,一个证人的光子晶体(的概念下归类光学现象的分类)。施加在光上的附加周期可以触发形成完整的光子带隙并且还可以产生手性一维(1D)边缘状态或模拟Dirac和Weyl准粒子的外来光子分散。原则上,光子晶体概念也适用于控制“纳米光”的传播:光子和电子的耦合振荡被限制在导电介质的表面,并被称为表面等离子体激元(SPP)。的SPP,λ的波长 p,与λ相比减少 0由幅度(高达三个数量级 )。然而,这种良性禁闭构成用于通过标准自上而下技术(纳米光光子晶体的实施挑战 )。在这项研究中,我们展示了一种无光刻光子晶体,用于扭曲双层石墨烯(TBG)中的等离子体。

图1由TBG中的孤子网络形成的纳米光子光子晶体。A)IR纳米成像实验装置的示意图。AB,BA和AA标记周期性地发生堆叠类型的石墨烯层。(B)(左)可视化由孤子晶格形成的纳米光子光子晶体。对比度是由于孤子的局部光导率增强。(右)TBG样品的暗视野TEM图像,显示AB和BA三角形区域之间的对比。虚线六边形表示晶体的晶胞。au,任意单位。(C)单个无限长孤子的电子能带结构(仅K谷显示)。手性1D状态以橙色描绘。诸如箭头所示的光学跃迁是孤子位置处增强的局部电导率的原因。E,能量; ķ ‖,沿孤子势头。(D)在单个孤子线上的实验(实线)和计算(虚线)近场信号sol(x)。计算参数是频率ω= 1180cm -1,费米能量μ= 0.3eV,层间偏压i = 0.2V,无量纲阻尼η= 0.2。



我们对近场对比的定性理解通过建模得到证实。近场幅度和相位分布s sol(x)和其中x是与孤子垂直的坐标,取决于费米能量μ,层间偏压V i和等离子体阻尼率η。用于分离的孤子(获得的这些后者型材)通过组合电子结构计算,散射理论,和针尖-样品的耦合(的数值模拟进行了完全阐明。图1D示出了通过使用最接近地对应于图1B中的实验的参数计算的s sol(x)。


我们现在讨论TBG中周期孤子网络对传播等离子体激元的影响。在我们的实验中,波长λ的SPP p孤子周期性的顺序的一个是由金属尖端(引入图1A)。为了发射传播极化子,我们选择ω远离声子共振。在这种制度,SPP的由孤子散射产生条纹在两个小号(ω)和对应驻波。两个可观测量的2D地图显示在图2中。我们获得了在λ的不同的制度这些图像p / 一个通过调节栅极电压V g ^和/或λ 0。在纳米红外对比度中,所有图像均受最大值和最小值的支配,表明存在由孤子晶格触发的SPP的相长干涉和相消干涉。

图2等离子体干涉图案和叠加模型分析。ç为λ获得的)纳米红外图像p = 135 nm和282纳米。(BD)使用叠加模型计算的近场幅度和相位图像(在文中引入)。用于获得图像的模型参数是(B)μ= 0.23eV,i = 0.3V,并且η= 0.2并且(D)μ= 0.35eV,i = 0.1V,并且η= 0.2。虚线六边形表示单个单元格的边界,品红条代表SPP波长。


图3,A和B中所示的s(ω)图像的傅立叶分析支持了我们对光子晶体的猜想。我们将s(ω)图像的2D空间傅里叶变换的幅度表示为

图3基于石墨烯的量子光子晶体的特性。A)傅里叶变换没有传播SPP的光子晶体图像(如图1B所示)。(B)线条轮廓沿(A)的结晶不含传播SPP的虚线和用于与传播的各种波长λ的SPP的相同的晶体取p。为清楚起见,曲线垂直偏移。(C)无量纲散射强度t = 0.02的等离子体带结构,在文中定义; t = 0.02最接近地对应于实验研究的晶体。Γ,K和M是布里渊区中的高对称点,如插图所示。(D)针对AA顶点处的点源计算的近场信号。(左)0,为空晶格计算的近场信号(t = 0)。[R,空间坐标。(右)这个比例其中0.02是t = 0.02 的信号。(Et = 0.2的等离子体带结构,显示出完整等离子体间隙的形成。(F)近场信号其中0.2是t= 0.2 的信号。(D)和(F)中的频率对应于满足的等离子体动量p,由(C)和(E)中的虚线表示。当该频率在带隙外(内部)时,等离子体图案离域(局部)和弱(强)各向异性; 比较(D)[(F)]。有关这些计算的详细信息,请参阅(26)的第7节。


结论

在这项工作中设计,实施和研究的纳米光子光子晶体在许多方面都是截然不同的。首先,响应的局部变化源于在孤子中发生的拓扑电子现象,与基于局部穿孔介质的普通经典光子晶体不同。其次,其关键参数(周期性和带状结构)可以静电和/或纳米机械连续调谐,并且不需要具有挑战性的自顶向下制造。这将有兴趣探索政权接近电荷中,其中孤子预测到主机1D等离子模式。在这种情况下,我们的结构将充当2D网络或可能作为能够路由这种1D等离子体的可控电路。

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