光照射在固體材料上會(huì)使其中的電子形成兩類激發(fā)：一種是電子-空穴的對激發(fā)，稱為激子；另一種是電子的集體振蕩，稱為等離激元。等離激元有很多奇特的應(yīng)用，例如等離激元通過與光耦合形成圖1所示的極化激元 (Surface plasmon polariton, SPP)，在電路中進(jìn)行能量和信號的傳輸。
理想情況下，等離激元有著易于激發(fā)并且不易衰減的特性。在傳統(tǒng)材料比如金、銀等金屬中，由于強(qiáng)烈的朗道阻尼效應(yīng)和等離激元與聲子散射作用，等離激元有著極低的空間限域性與極高的傳播損失率。這些問題使得等離激元在電子信息、催化能源以及生物技術(shù)等方面的應(yīng)用都受到限制。因此，制備和發(fā)現(xiàn)性能優(yōu)異的量子材料，使其具有良好的等離激元特性成為材料應(yīng)用領(lǐng)域一個(gè)重要的方向。
圖1. 等離激元極化激元在材料中產(chǎn)生和傳播的示意圖
二維材料是實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的理想平臺(tái)，在二維材料中，由于等離激元被限制在一個(gè)平面內(nèi)，其衰減得到了極大的抑制。石墨烯作為的二維材料的典型代表，已經(jīng)成為一個(gè)極其熱門的等離激元材料。然而，作為半金屬，石墨烯中載流子濃度較低，因此其等離激元的頻率遠(yuǎn)低于常見的可見光區(qū)。其他的二維材料，也多為半金屬型（如硅烯和二硒化鈦）或半導(dǎo)體型（如氮化硼和二硫化鉬），因而無法彌補(bǔ)載流子濃度低這一缺陷。
因此，尋找合適的二維金屬材料，不僅可以產(chǎn)生低衰減率的等離激元，而且可以與可見光進(jìn)行耦合，在集成光子學(xué)器件中有著重要的應(yīng)用。硼烯是一種新型二維材料，其獨(dú)特之處在于其本征的金屬性，預(yù)示著硼烯是很有希望的等離激元材料。
圖2. (a)?β12型硼烯晶格結(jié)構(gòu)以及布里淵區(qū); (b)?β12型硼烯等離激元沿Γ-X 與Γ-Y方向的色散關(guān)系。圖中展示了低能模式（LE）、高能模式（HE），和石墨烯中的等離激元。
最近，中國科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家研究中心表面物理國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室SF10組的博士后廉超（現(xiàn)為德州大學(xué)奧斯汀分校博士后）和博士生胡史奇（共同第一作者），以及已畢業(yè)的張進(jìn)博士和程才博士，在孟勝研究員的指導(dǎo)下，與北京師范大學(xué)袁喆教授和北京計(jì)算科學(xué)中心高世武教授合作，通過第一性原理含時(shí)密度泛函模擬，計(jì)算了實(shí)驗(yàn)上合成的β12型硼烯中的奇異的等離激元特性（圖2和圖3）。
圖3. (a)?β12型硼烯等離激元限域能力λair/λp隨能量的變化; (b)?β12型硼烯等離激元傳播損失率Re[q]/Im[q]隨能量的變化。
他們發(fā)現(xiàn)，相比于石墨烯和黑磷等材料，硼烯在保持二維材料較強(qiáng)的光與材料相互作用的同時(shí)，由于其金屬特性以及特殊的狄拉克能帶結(jié)構(gòu)，它在電子濃度、等離激元頻域等方面有著優(yōu)異的等離激元性能。研究發(fā)現(xiàn)硼烯中存在兩類載流子：中心在X點(diǎn)的一維電子氣，和中心在Y點(diǎn)的二維電子氣（圖4）。兩種載流子分別對應(yīng)了硼烯等離激元的兩個(gè)分支：二維電子氣形成了各向均勻的高能量分支，而一維電子氣則形成了各向異性的低能量分支。這兩種模式有著涵蓋太赫茲到紫外波段廣泛的頻率范圍，因此可以與可見光實(shí)現(xiàn)充分耦合。同時(shí)，兩支等離激元具有和石墨烯等離激元同樣的低衰減率（圖3）。
圖4. (a)?β12型硼烯三維能帶結(jié)構(gòu); (b)?β12型硼烯布里淵區(qū)電子氣分布;(c)?β12型硼烯電子氣帶內(nèi)躍遷分布。
更為獨(dú)特的是，硼烯等離激元的低能量分支僅在Γ-X方向形成和傳播。不同于以往一維結(jié)構(gòu)的等離激元，這一發(fā)現(xiàn)意味著在二維結(jié)構(gòu)中依然可以存在單向傳輸?shù)囊痪S等離激元模式。更深入的電子結(jié)構(gòu)分析證明了這個(gè)一維模式源自于硼烯獨(dú)特的電子結(jié)構(gòu)，并且由硼烯中狄拉克電子的帶內(nèi)躍遷所貢獻(xiàn)。
研究表明，二維硼烯中存在著比想象中更為豐富的光與物質(zhì)的相互作用圖像，二維、一維電子氣與狄拉克電子氣集體激發(fā)的相互作用是導(dǎo)致奇異量子等離激元出現(xiàn)的重要原因，這也賦予其低損耗、寬頻域和高定向等優(yōu)良特性。這一發(fā)現(xiàn)拓展了以石墨烯為代表的二維材料等離激元這一研究領(lǐng)域，為豐富等離激元光子學(xué)材料提供了新的思路。
相關(guān)成果近日發(fā)表在《物理通訊快報(bào)》(Physical Review Letters) 上https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.125.116802。該工作得到了科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2016YFA0300902，2015CB921001）和國家自然科學(xué)基金委（11774396, 91850120, 11934004）的資助。作者感謝與物理所陸凌研究員的有益討論。
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