三维狄拉克等离子体激元助力实现新的纳米光电器件

据麦姆斯咨询报道，等离子体激元是指传统金属和半导体的电子量子化集体振荡，一直以来吸引着人们对其在传感、快电子学和太阳能电池技术中应用的兴趣。等离子体激元也可存在于被称为狄拉克（Dirac）材料的奇异固体中。比起传统等离子体激元，狄拉克等离子体激元拥有许多更胜一筹的优点，如更快的传播速度和频率可调性。到目前为止，已在石墨烯等二维材料中发现了狄拉克等离子体激元。然而，二维等离子体激元对材料表面的缺陷和污染物非常敏感。如今，意大利理工学院（Italian Institute of Technology）石墨烯实验室的Antonio Politano和同事们提供了二碲化铂晶体（PtTe2）存在三维狄拉克等离子体激元（3D Dirac plasmons）的直接证据。

最近的研究表明，PtTe2是一种三维II型狄拉克半金属，也是量子固体，有时还被认为是“三维石墨烯”。研究小组根据高分辨率电子能量损失谱法（Electron Energy Loss Spectroscopy）来表征这种材料的电子激发，并通过与密度泛函理论（Density Functional Theory）预测进行比较，从而解释这些数据。分析通过II型狄拉克半金属的各向异性斜锥形特征，揭示了带电准粒子在能量带中的集体运动。研究小组利用这些特征得出结论：这些准粒子就是三维狄拉克等离子体激元。

注：密度泛函理论是一种研究多电子体系电子结构的量子力学方法。密度泛函理论在物理和化学上都有广泛的应用，特别是用来研究分子和凝聚态的性质，是凝聚态物理计算材料学和计算化学领域最常用的方法之一。

这些三维等离子体激元的鲁棒性可被用以实现如光电探测器等基于等离子体激元的纳米器件。研究人员设想：凭借这种材料易于切割的特性，可利用薄PtTe2层构建纳米器件。此外，分析数据表明：等离子体激元可被约为0.5eV的能量激发，对应的波长约为2.4μm。该特性使利用近红外激光控制等离子体激元的光电应用成为可能。

该研究于2018年8月22日发表于Physical Review Letters杂志上。

审核编辑：符乾江