科学家观察和控制石墨烯上的超快表面波

想象一下，站在湖边，把一块石头扔进水里。波浪以圆形模式传播，可以在障碍物和边界处反射。雷根斯堡大学的研究人员与米兰和比萨的同事合作，在一个迷人的微型世界中重现了这一日常现象：他们使用纳米级上最快的慢动作相机之一，观察了波的传播——不是在水上，而是在“电子海”中。该研究发表在《纳米快报》上

这种电子海通常存在于金属或具有金属特性的材料的表面。在这种情况下，材料是石墨烯——一种由单层碳原子组成的所谓二维材料。科学家们使用激光脉冲代替石头，将它们聚焦在材料表面上方的锋利金属尖端上

这会产生一个圆形电子密度波，通过尖端下方的石墨烯传播。波可以从样品的边缘反射并传播回尖端。然后，通过颠倒之前的过程并将电子波转换回光，可以光学地测量这些反射。通过精确地将尖端移动到样品上，研究人员可以记录一张显示波随时间在不同位置振荡的胶片

这项新技术允许直接观察电子波在空间和时间上的传播。这是通过纳米级的分辨率（与现代半导体技术相关）和飞秒级的时间分辨率实现的。在时间分辨率方面，该方法可以与帧速率超过每秒10万亿帧的超快慢动作相机进行比较

结果是对波浪运动进行了高度精确的分析，包括其速度、阻尼和频率，而不需要复杂的计算变换。值得注意的是，研究人员观察到波的质心传播与单个波峰和波谷的传播之间存在区别。通过精确测量这两个速度，可以推断出波传播所通过的材料的性质

在他们的实验中，研究人员比较了不同方法制备的石墨烯样品，发现波传播存在显著差异，这与样品质量的变化有关。这些发现有望有助于开发用于光电设备（如高灵敏度光传感器）的更好样品

值得注意的是，该方法也适用于所谓的太赫兹和中红外范围内的重度阻尼电子波，这是我们的5G网络和可见光之间的光谱区域，到目前为止很难进入

作为最后一步，研究人员使用另一个激光脉冲在电子波传播时故意扰动石墨烯样品中的电子海。通过加入第二个激光脉冲，他们能够选择性地减弱该波。这不仅可以观察到波并深入了解静态形式的材料，还可以控制和超快改变材料特性

这种对电子密度波的直接控制可能是开发时钟速度比当前电子产品快一千倍以上的新型电子元件的关键一步 More information: Simon Anglhuber et al, Spacetime Imaging of Group and Phase Velocities of Terahertz Surface Plasmon Polaritons in Graphene, Nano Letters (2025). DOI: 10.1021/acs.nanolett.4c04615

Journal information: Nano Letters