石墨烯中激子-极化激元的理论研究

自2004年Geim小组成功制备出单层石墨烯以来，这种理想的二维量子体系已成为当今凝聚态物理研究中的热点之一。石墨烯是一种零带隙半导体，具有一些奇异的电子特性，如为零的有效质量、极高的迁移率、高达几十个meV的激子束缚能。此外研究表明，较低的无序可以增强电子的输运。这样，石墨烯中的激子-极化激元也将具有更小的有效质量、更高的迁移率、更高的玻色-爱因斯坦凝聚转变温度，且可降低无序对极化激元输运的影响，是研究激子-极化激元的理想材料，但是石墨烯中激子-极化激元的研究目前在国际上尚未见报道。本计划拟重点研究石墨烯中激子-极化激元的基本性质和相关应用，主要研究内容包括石墨烯中的激子效应、激子与光场的相互耦合、极化激元的色散关系和输运性质，以及其在玻色-爱因斯坦凝聚和量子信息中的应用。这些研究不仅可以丰富石墨烯和极化激元的物理内涵，而且能够为新型的量子器件设计提供物理基础。

在本项目的执行期内，主要研究了石墨烯中电子与光子的相互作用、石墨烯中光子缀饰态对电子输运的影响及其探测。获得的主要研究成果有：(1).通过类比石墨烯中电子的Dirac方程和介质中的Maxwell方程，首次创新性地发展了传统光学中常用的FDTD方法，并将其用来求解石墨烯中电子的含时输运过程。研究发现，在强光场下，由于光子和石墨烯中激子的相互耦合，破坏了石墨烯中电子的手征对称性，从而抑制了石墨烯场效应管中的完美手征隧穿，由此可以实现光控的电子场效应管。得益于超快激光技术，这种场效应管具有亚ps的响应速度。此外，由于光子能量和电子的跃迁能存在一定的失谐，这个过程是一个虚过程，没有光子的吸收，从而具有极小的功耗。(2). 研究了光场对石墨烯中电子输运时间的影响。研究结果表明，由于光场的存在，使得势垒中存储的粒子从势垒中流出，从而出现额外的泄漏电流，这种泄漏电流将使得传统量子隧穿过程中的Hartman效应消失。而由于零点能的存在，实际输运过程中总是伴随着电磁场，Hartman效应将不会出现。(3). 研究了石墨烯位于光子晶体表面时光子晶体的表面局域化效应对石墨烯光吸收的影响。研究结果表明石墨烯的光学吸收可被增强5-8倍。此研究有利于制作基于石墨烯的光电探测器或者减小光控场效应管的阈值光强。(4). 为了方便检测超快石墨烯场效应管（~THz）中的超快电流，并验证我们前面理论预测的结果。我们提出了一种全新的电流光学探测方法——单双光子干涉吸收谱。通过利用单双光子干涉跃迁在k空间的不对称性，可以直接测得电流、自旋流在k空间的分布情况。得益于超快激光技术的发展，这种光谱具亚ps的时间分辨能力。(5). 研究了强磁场下磁激子的光子缀饰态。研究发现这种磁激子-极化激元可以转化为暗激子并具有较长的弛豫时间，从而有可能提高BEC的转变温度。项目组成员在此项目资助下已经发表了16篇SCI收录的学术论文，其中6篇发表在NJP、OE、APL、EPL等国际物理权威期刊上，另有4篇文章发表在影响因子大于2的期刊上。