颠覆认知！科学家首次将光子限制在原子级空间内，或改变游戏规则

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自2004年英国曼彻斯特大学的科学家通过剥离法首次获得石墨烯以来，这一21世纪的“超级材料”迅速席卷全球，引发了材料科学的革命，也激发了科学家无穷的想象和创造力。最近，科学家利用石墨烯材料的特性，将光子限制在单个原子大小的空间范围内。而此前几乎没有人认为这一做法是可行的，这一研究不仅将开启石墨烯材料的全新应用，更有可能推动整个科技界的革新…

通常，光线无法聚焦于直径小于其自身波长的光斑上，这就是所谓的衍射极限。科学家们曾经试图利用纳米金属笼引导光子来突破这一限制，但遗憾的是迄今为止各种尝试过的方法无一不造成了大量的能量损失。

最近，科学家使用异质结构的二维材料堆叠来构建新的纳米光学器件，并添加单层石墨烯作为半金属，以等离子体激元的形式引导光子的行为。这些等离子体振子是与光发生强烈相互作用的电子振荡，因此可以以引导光子的运动。在石墨烯顶部，研究小组将六方氮化硼(HBN)单层堆叠成绝缘体，然后再覆盖一排金属棒。

就像许多伟大的科学发现一样，此次发现也是偶然的。研究人员表示：“在寻找激发石墨烯等离子体激元的新方法时偶然发现其表面受限比以前更强，同时额外的能量损失更少，所以我们进行了这一实验，结果确实足以令人惊讶。”当仪器发射出红外光时，等离子体就会在金属和石墨烯之间聚集起来。通过不断缩小这个空间，直到直径仅有一个原子厚时，科学家发现等离子体仍然在不停振动，并且可以自由传播。

利用这一发现，研究人员可以轻松地在小于1nm（纳米）厚的通道中操纵光子，从而突破极限，制造出体积前所未有小的新元器件，例如大大缩小计算机芯片和激光传感器等核心技术装备。与此同时，轻型晶体管的研发工作也进行得非常顺利。

未来进一步的发展趋势应该是将更多的晶体管装入相同体积的空间（提高性能）或大大压缩芯片体积（减小尺寸）。或许有一天，这一成果将彻底改变我们的生活习惯，而这都应归功于一种超级材料——石墨烯的发展。

文/朱张航宇

参考文献：Probing the ultimate plasmon confinement limits with a van der Waals heterostructure, Science, 2018, Vol. 360, Issue 6386, pp. 291-295.