等离激元是极化激元的一种，它是由入射光激发的沿材料表面传播的光子和电子混合谐振的电磁模式，也是纳米光子学材料中存在的一种独特的物理现象。它能够突破衍射极限，从而有望实现纳米级片内互联。与传统的金、银等金属材料相比，新型二维材料石墨烯具有单原子层的厚度、狄拉克电子特性和高载流子迁移率的特点，其支持的等离激元具有更高的波长压缩比和静电可调的优势，因此成为近年来研究的热点。自2011年首次实验观测以来，石墨烯等离激元已经在纳米波导、电调激光器和分子传感器等方向展示巨大应用潜力。
然而，石墨烯二维材料的特性使得其对周围的介质环境异常敏感，诸多因素使其传输性能受到影响，阻碍其进一步应用于光电集成器件。研究表明，除了自身的热声子散射以外，基底的杂质、聚集电荷散射，声子散射，以及介电环境的极化都会对石墨烯等离激元产生损耗，降低其品质因子和传输距离。如何突破介电环境对等离激元的性能的限制，实现高品质、长传输的石墨烯等离激元性能，已经成为石墨烯等离激元迈向功能化应用发展中迫切需要解决的关键问题。
图1. 文献报道的不同介质基底与本工作的悬空结构上石墨烯等离激元传输距离的对比。
近期，国家纳米科学中心的戴庆研究团队和西班牙光子科学研究所(ICFO)的Javier García de Abajo教授、美国纽约州立大学石溪分校刘梦昆教授、芬兰阿尔托大学孙志培教授、中科院物理所陈佳宁研究员和西班牙Oviedo 大学的Pablo Alonso-González教授等团队合作，进一步在悬空石墨烯结构获得高质量的本征等离激元，解决了基底引入的额外损耗和限制调控等问题。
研究结果发现，悬空石墨烯提供了纯净的等离激元环境，其品质因子高达33，对应的传输距离超过3 μm。这是室温下目前报道的石墨烯等离激元具有的最高传输性能记录，对比同等条件下氧化硅基底上的石墨烯等离激元性能提升一个数量级以上。此外，该工作发现悬空高度可作为一种新型等离激元原位调制手段，可显著调节等离激元波长、传输距离和群/相速度等性能。研究团队利用这种调控优势，开发了一种新型等离激元开关器件，其电磁能流开关比高达14。得益于石墨烯的电学可调性质，这种新型等离激元开关还可以通过栅极电压调控。悬空石墨烯等离激元兼具长传输距离、高可调谐性和可控的能量传输的优异性能，为其将来在信息光子器件中的诸多应用提供了良好的基础。
图2. (a) 直径15微米悬空石墨烯的原子力显微镜成像的高度图。左上角插图是对应光学显微镜照片。（b）圆形孔上悬空石墨烯的近场光学成像图。同心波纹反映了传输的等离激元电场振幅信息。
悬空结构也为研究其它范德华材料支持的极化激元提供了新的平台，例如声子极化波、激子极化波和磁极化波等。研究悬空二维材料丰富极化激元的基本性质和使用性能的调控规律，不仅能够避免基底的各种散射和极化影响，从而保持其本征的物理性质和高品质的传输性能，也为将来构筑新型纳米光子学器件提供新的思路和选择。
图3. (a) 悬空石墨烯等离激元能流开关器件的示意图。（b）不同气体压力下原位调控石墨烯的悬空高度。（c）不同悬空高度下等离激元的传输电场分布。（d）等离激元通过悬空界面的能流开关比。
该工作于2022年3月18日发表在《自然·通讯》期刊(Nature communications (2022) 13:1465)。国家纳米科学中心胡海副研究员为该文章的第一作者和通讯作者之一，国家纳米科学中心戴庆研究员与西班牙光子科学研究所Javier García de Abajo教授为共同通讯作者。感谢国家纳米科学中心微纳加工实验室(Nanofab Lab @ NCNST)对于样品制备的帮助和建议。上述研究工作获得了国家重点研发计划纳米科技重点专项、国家自然科学基金、中科院人才项目及中科院战略性先导科技专项B类等项目的支持。
