进展|二维金属中的奇异等离子体
光照射固体材料会使其中的电子形成两种激发：一种是电子-空穴对激发，称为激子；另一种是电子的集体振荡，称为等离子体激元。等等离子体具有许多特殊的应用，例如，等离子体通过与光耦合形成图1所示的表面等离子体激元，并在电路中传输能量和信号。理想情况下，等离子体激元容易激发，不容易衰变。在金、银等金属等传统材料中，由于强朗道阻尼效应和等离子体振子与声子的散射效应，等离子体振子具有极低的空间限制和极高的传播损失率。这些问题限制了等离子体激元在电子信息、催化能量和生物技术中的应用。因此，制备和发现性能优异的量子材料，使其具有良好的等离子体特性，已经成为材料应用领域的一个重要方向。
图1。材料中等离子体激元的产生和传播示意图。
二维材料是实现这一目标的理想平台。在二维材料中，等离子体激元的衰减被大大抑制，因为它们被限制在一个平面内。石墨烯作为二维材料的典型代表，已经成为一种极其流行的等离子体材料。但石墨烯作为半金属，载流子浓度较低，因此其等离子体激元频率远低于普通可见光区。其他二维材料多为半金属(如silene、二硒化钛)或半导体(如氮化硼、二硫化钼)，无法弥补载流子浓度低的缺陷。因此，寻找合适的二维金属材料不仅可以产生低衰减率的等离子体激元，还可以与可见光耦合，在集成光子器件中有重要应用。硼是一种新型的二维材料，其独特的固有金属性表明硼是一种很有前途的等离子体材料。
图2。 12型硼烯的晶格结构和布里渊区； 12型硼烯等离子体沿-X和-Y方向的色散关系。该图显示了石墨烯中的低能模式、高能模式和等离子体激元。
近日，中国科学院物理研究所表面物理国家重点实验室SF10组博士后连超(现为美国得克萨斯大学奥斯丁分校博士后)、博士生胡诗琪(合著)，以及已毕业的张晋博士和蔡程博士，在孟胜研究员的指导下，与北京师范大学的教授和北京计算科学中心的教授合作，通过第一性原理时变密度泛函模拟计算了实验合成的 11
图3。(a)12型硼烯等离子体的约束能力air/p随能量的变化；(b)12型硼烯等离子体的传播损耗率Re[q]/Im[q]随能量的变化。
他们发现，与石墨烯、黑磷等材料相比，硼烯在保持二维材料中光与材料强相互作用的同时，由于其金属特性和特殊的狄拉克带结构，在电子浓度和等离子体频率域具有优异的等离子体激元性能。发现硼中有两种载流子：以X点为中心的一维电子气和以Y点为中心的二维电子气(图4)。两种载流子分别对应硼-烯烃等离子体激元的两个分支：二维电子气形成各向同性的高能分支，一维电子气形成各向异性的低能分支。这两种模式从太赫兹到紫外都有很宽的频率范围，所以可以和可见光完全耦合。同时，这两种等离子体激元具有与石墨烯等离子体激元相同的低衰减率(图3)。
图4。(一) 12型硼烯的三维能带结构； 12型硼布里渊区的电子气体分布；(c)12型硼烯电子的带内跃迁分布。
此外，硼-烯烃等离子体团的低能分支只在-X方向形成和传播。与以往的一维等离子体不同，这一发现意味着单向传输的一维等离子体仍然可以存在于二维结构中。对电子结构的进一步分析证明，这种一维模式源于硼烯烃的独特电子结构，是由硼烯烃中狄拉克电子的带内跃迁贡献的。研究表明，2D硼中存在更多的光与物质相互作用的图像，2D与1D电子气和狄拉克电子气的相互作用是奇怪的量子等离子体团出现的重要原因，这也赋予了它低损耗、宽频率范围和高取向等优良特性。这一发现拓展了石墨烯等二维材料的研究领域，为丰富等离子体光子学材料提供了新思路。
编辑：tzy