用超薄材料制造量子“波” –等离子技术可以推动一类新技术的发展

超快激光与原子力显微镜尖端耦合产生的等离激元波的插图。等离子体激元波显示为同心的红色和蓝色环，它们缓慢移动穿过原子薄的二硫化钽层。

由伯克利实验室（Berkeley Lab）领导的研究揭示了波状等离激元如何在纳米级推动新型传感和光化学技术的发展。

波状的，称为“等离激元”的电子的集体振动对于确定金属的光学和电子特性非常重要。

在原子薄的2D材料中，等离子激元所具有的能量比在散装金属中发现的等离激元对包括传感器和通信设备在内的应用更为有用。但是，确定等离子激元寿命的时间长短以及它们的能量和其他性质是否可以控制在纳米级（十亿分之一米）尚无定论。

现在，根据《自然通讯》杂志的报道，由能源部劳伦斯·伯克利国家实验室（伯克利实验室）牵头的一组研究人员在能源部能源材料中激发态现象的计算研究中心的支持下， （C2SEPEM）–在称为“准2D晶体”的新型导电过渡金属二卤化硅（TMD）中观察到了长寿命等离子体。

为了了解等离激元如何在准2D晶体中工作，研究人员对TMD二硫化钽单层中非导电电子和导电电子的特性进行了表征。先前的研究仅研究传导电子。“我们发现，仔细考虑两种电子之间的所有相互作用非常重要，”负责这项研究的C2SEPEM主任史蒂文·路易（Steven Louie）说。Louie还曾担任伯克利实验室材料科学系的高级教职科学家和加州大学伯克利分校的物理学教授。

研究人员开发了先进的新算法来计算材料的电子特性，包括长波长的等离激元振荡，“这是以前计算方法的瓶颈，”伯克利实验室材料科学系的博士后研究员费利佩·达·乔纳达（Felipe da Jornada）说。在研究时。Jornada目前是斯坦福大学材料科学与工程系的助理教授。

令研究人员惊讶的是，伯克利实验室国家能源研究科学计算中心（NERSC）的Cori超级计算机进行的计算结果表明，准2D TMD中的等离激元要稳定得多-长达约2皮秒或2万亿分之几一秒钟–比以前想象的要大。

他们的发现还表明，准2D TMD产生的等离激元可以将光强度提高1000万倍以上，为可再生化学（由光触发的化学反应）或受光控制的电子材料工程打开了大门。

在未来的研究中，研究人员计划研究如何利用这种等离激元在衰变后释放的高能电子，以及是否可用于催化化学反应。

参考：Felipe H. da Jornada，Lede Xian，Angel Rubio和Steven G. Louie于2020年2月21日在Nature Communications。上发表的“原子薄的准二维金属中的普遍慢等离激元和巨场增强”，DOI：
10.1038 / s41467-020-14826-8

德国汉堡马克斯·普朗克物质结构与动力学研究所的Lede Xian和Angel Rubio对该研究做出了贡献。

NERSC是位于伯克利实验室的aDOE科学用户设施办公室。

这项研究得到了美国能源部基础能源科学办公室资助的能源材料中兴奋态现象计算研究中心（C2SEPEM）的支持。国家科学基金会和欧洲研究理事会提供了额外的支持。