聲子極化激元電激發首次實現

科技日報北京3月20日電 （記者張佳欣）據最新一期《自然》雜誌報道，美國紐約市立大學研究人員在創造新型光熱材料方面邁出重要一步：他們首次實現了一種利用電流激發聲子極化激元的新機制，為開發更低成本、更小巧的長波紅外光源和更高效的冷卻設備開闢了新途徑。

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聲子極化激元是一種獨特的電磁波，當光與材料晶格結構中的振動相互作用時，就會產生這種波。它具有許多獨特性質，例如能將長波紅外光的能量集中到極小的體積內，甚至小到幾十納米，還能形成高效熱傳導通道。這種“光熱雙優”的屬性使其成為亞波長成像、分子傳感器、電子器件內熱管理等應用的理想選擇。

此次發現的關鍵在於，研究團隊將單層石墨烯嵌在兩塊六方氮化硼（hBN）之間，構建出一種“三明治”結構。hBN中的雙曲聲子極化激元（HPhP）如同在材料內部反覆折射的光線，與石墨烯中高速移動的電子發生強烈碰撞。電子與HPhP碰撞時，會將多餘的能量轉移給HPhP，而HPhP會迅速將熱量擴散到更大的區域。

實驗發現，僅施加1伏特/微米的微弱電場，石墨烯中的電子就如同被注入能量的賽跑選手，能與HPhP發生高效散射，這凸顯了HPhP電致發光的效率。該研究首次實驗證明，僅通過電學方法就能激發聲子極化激元。

研究還揭示了HPhP電致發光背後有趣的物理原理。當石墨烯中的電子濃度較低時，HPhP以帶間躍遷形式發射。然而，在較高的電子濃度下，HPhP發射則通過石墨烯中的帶間躍遷和帶內切倫科夫輻射同時進行。

實現聲子極化激元的電致發光，不僅為開發納米級長波紅外或太赫茲光源開闢了新途徑，還為能源應用帶來了新機遇。從下一代分子傳感到改進電子設備的熱管理，這一創新有望為節能緊湊型技術帶來變革。