[論文レビュー] Novel mid-infrared plasmonic effects in bilayer graphene

Tony Low, F. Guinea+3 more|arXiv (Cornell University)|Oct 17, 2013

Graphene research and applications参考文献 1被引用数 1

ひとこと要約

本稿は、ベーナル積層二層グラフェンにおける中赤外域プラズモン効果を調査し、その特異な電子構造が光学活性を示すフォノンモードと共鳴する準位間遷移を可能にし、Fano型共鳴、赤外フォノン吸収の巨大増幅、狭帯域の光学透過窓、および古典的プラズモンを超える高エネルギーの新しいプラズモニックモードを誘発することを明らかにした。これは、モノレイヤー・グラフェンと比較して顕著に異なるプラズモン的応答を示す。

ABSTRACT

We study the mid-infrared plasmonic response in Bernal-stacked bilayer graphene. Unlike its monolayer counterpart, bilayer graphene accommodates optically active phonon modes and a resonant interband transition at infrared frequencies. They strongly modifies the plasmonic properties of bilayer graphene, leading to Fano-type resonances, giant plasmonic enhancement of infrared phonon absorption, narrow window of optical transparency, and a new plasmonic mode at higher energy than the classical plasmon.

研究の動機と目的

• ベーナル積層二層グラフェンのミッドインフラレッド域プラズモン的応答を調査し、その電子的および振動的性質のおかげでモノレイヤー・グラフェンとは根本的に異なる点を明らかにすること。
• 二層グラフェンにおける準位間遷移とフォノンモードが赤外周波数帯でのプラズモン的挙動に与える影響を理解すること。
• 電子的自由度と振動的自由度の結合によって生じる新しいプラズモン的現象を同定および特徴付けること。
• ミッドインフラレッド領域において、強化された光学透過性と顕著な吸収特徴が現れる条件を特定すること。

提案手法

• 準位間遷移と電子間相互作用を考慮するため、タイトバインディング法を用いた二層グラフェンの誘電関数の理論的モデル化。
• フォノンモードを誘電応答に組み込み、その光学活性およびプラズモン励起状態との結合を評価。
• ランダム位相近似（RPA）を用いて、準位間遷移およびフォノンの存在下でのプラズモン分散および減衰率を計算。
• 光学的導電率および反射率スペクトルの分析により、Fano共鳴および透過窓を同定。
• プラズモン分散関係の数値的解法を用い、新しい高エネルギー・プラズモニックモードの出現を検出。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 二層グラフェンにおける準位間遷移は、モノレイヤー・グラフェンと比較してどのようにミッドインフラレッド域プラズモン的応答を変化させるか？
• RQ2 光学活性フォノンモードは、二層グラフェンのプラズモン的特徴をどのように形成するか？
• RQ3 プラズモンと準位間遷移の結合によって、Fano型共鳴が二層グラフェンに現れるか？
• RQ4 なぜ二層グラフェンでは古典的プラズモンよりも高いエネルギーに新たなプラズモニックモードが出現するのか？
• RQ5 フォノンの存在が、なぜ二層グラフェンで赤外フォノン吸収を巨大に増幅させるのか？

主な発見

• 古典的プラズモンと共鳴する準位間遷移の干渉により、二層グラフェンは光学的応答にFano型共鳴を示す。
• 赤外周波数帯における準位間遷移が、赤外フォノン吸収を巨増させ、有効フォノン結合を顕著に増大させる。
• プラズモン的応答とフォノニック応答の破壊的干渉により、ミッドインフラレッド領域に狭帯域の光学透過窓が出現する。
• 電子とフォノンの結合によって、古典的プラズモンよりも高いエネルギーに新たなプラズモニックモードが生じる。
• 二層グラフェンに光学活性フォノンモードが存在することは、そのプラズモン的状況を根本的に変容させ、モノレイヤー・グラフェンとは明確に異なる。