首次將光子限制在原子級空間內，或引發新一輪晶元革命浪潮

自2004年英國曼徹斯特大學的科學家通過剝離法首次獲得石墨烯以來，這一21世紀的「超級材料」迅速席捲全球，引發了材料科學的革命，也激發了科學家無窮的想像和創造力。最近，科學家利用石墨烯材料的特性，將光子限制在單個原子大小的空間範圍內。而此前幾乎沒有人認為這一做法是可行的，這一研究不僅將開啟石墨烯材料的全新應用，更有可能推動整個科技界的革新…

通常，光線無法聚焦於直徑小於其自身波長的光斑上，這就是所謂的衍射極限。衍射極限是指一個理想物點經光學系統成像，由於衍射的限制，不可能得到理想像點，而是得到一個夫朗和費衍射像。因為一般光學系統的口徑都是圓形，夫朗和費衍射像就是所謂的艾里斑。這樣每個物點的像就是一個彌散斑，兩個彌散斑靠近後就不好區分，這樣就限制了系統的解析度，這個斑越大，解析度越低。這個限制是物理光學的限制，是光的衍射造成的。

科學家們曾經試圖利用納米金屬籠引導光子來突破這一限制，但遺憾的是迄今為止各種嘗試過的方法無一不造成了大量的能量損失。

最近，科學家使用異質結構的二維材料堆疊來構建新的納米光學器件，並添加單層石墨烯作為半金屬，以等離子體激元的形式引導光子的行為。這些等離子體振子是與光發生強烈相互作用的電子振蕩，因此可以引導光子的運動。在石墨烯頂部，研究小組將六方氮化硼(HBN)單層堆疊成絕緣體，然後再覆蓋一排金屬棒。

就像許多偉大的科學發現一樣，此次發現也是偶然的。研究人員表示：「在尋找激發石墨烯等離子體激元的新方法時偶然發現其表面受限比以前更強，同時額外的能量損失更少，所以我們進行了這一實驗，結果確實足以令人驚訝。」當儀器發射出紅外光時，等離子體就會在金屬和石墨烯之間聚集起來。通過不斷縮小這個空間，直到直徑僅有一個原子厚時，科學家發現等離子體仍然在不停振動，並且可以自由傳播。

利用這一發現，研究人員可以輕鬆地在小於1nm（納米）厚的通道中操縱光子，從而突破極限，製造出體積前所未有小的新元器件，例如大大縮小計算機晶元和激光感測器等核心技術裝備。與此同時，輕型晶體管的研發工作也進行得非常順利。

未來進一步的發展趨勢應該是將更多的晶體管裝入相同體積的空間（提高性能）或大大壓縮晶元體積（減小尺寸）。或許有一天，這一成果將徹底改變我們的生活習慣，而這都應歸功於一種超級材料的發展——石墨烯。

文/朱張航宇

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

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