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斐索在1850年證明，當(dāng)光在移動(dòng)介質(zhì)中傳播時(shí)可以改變光速。然而，在快速移動(dòng)的電子介質(zhì)中，還沒有通過電流來有效地實(shí)現(xiàn)對(duì)光速的這種控制。由于電子和光之間的強(qiáng)電磁耦合導(dǎo)致等離子體激元的集體激發(fā)，因此假設(shè)電子流系統(tǒng)中的斐索拖曳表現(xiàn)為等離子體多普勒效應(yīng)。電子系統(tǒng)中等離子體多普勒效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)觀察一直是一個(gè)挑戰(zhàn)，因?yàn)榈入x子體傳播速度比傳統(tǒng)貴金屬中的電子漂移速度快得多。

為此，加州大學(xué)伯克利分校王楓課題組利用無質(zhì)量狄拉克電子的高電子遷移率和慢等離子體傳播，直接觀察強(qiáng)偏置單層石墨烯中等離子體激元的斐索拖拽。石墨烯中的大偏置電流產(chǎn)生了一個(gè)快速漂移的狄拉克電子介質(zhì)，容納了等離子激元。這導(dǎo)致非互易等離子體傳播，其中等離子體與漂移的電子介質(zhì)一起以增強(qiáng)的速度傳播。研究人員使用低溫近場(chǎng)紅外納米技術(shù)測(cè)量多普勒位移等離子體波長(zhǎng)，該方法在低溫下直接對(duì)偏置石墨烯中的等離子體激元模式進(jìn)行成像。他們觀察到與漂移電子介質(zhì)一起運(yùn)動(dòng)的等離子體和與漂移電子介質(zhì)對(duì)抗運(yùn)動(dòng)的等離子體之間的等離子體波長(zhǎng)差異高達(dá)3.6%。研究人員對(duì)等離子體多普勒效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)為非平衡系統(tǒng)中非互易表面等離子體激元的電控制提供了機(jī)會(huì)。

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圖 | 石墨烯器件中的多普勒效應(yīng)示意圖

無獨(dú)有偶，哥倫比亞大學(xué)D. N. Basov和麻省理工學(xué)院D. A. Bandurin也開展了石墨烯等離子體斐索拖拽的研究。

菲涅爾預(yù)測(cè)了移動(dòng)介質(zhì)對(duì)光的拖曳作用，并且用著名的流水實(shí)驗(yàn)證實(shí)了這一點(diǎn)。這一重大發(fā)現(xiàn)是愛因斯坦狹義相對(duì)論的實(shí)驗(yàn)基石之一，并在相對(duì)論運(yùn)動(dòng)學(xué)的背景下得到了很好的理解。相比之下，電子流在固體中拖曳光子的實(shí)驗(yàn)存在不一致之處，并且與理論不一致。

為此，哥倫比亞大學(xué)D. N. Basov和麻省理工學(xué)院D. A. Bandurin報(bào)告了電子流拖動(dòng)表面等離子體激元(SPPs)：石墨烯中紅外光子和電子的混合準(zhǔn)粒子。在高密度電流下，通過傳播等離子體波的紅外納米成像，可以直接觀察到拖拽現(xiàn)象。當(dāng)對(duì)抗漂移的載流子傳播時(shí)，石墨烯中的激元會(huì)縮短它們的波長(zhǎng)。與光的斐索效應(yīng)不同，由電流產(chǎn)生的SPP拖拽無法用簡(jiǎn)單的運(yùn)動(dòng)學(xué)解釋，它與石墨烯中狄拉克電子的非線性電動(dòng)力學(xué)有關(guān)。觀察到的等離子體斐索拖拽能夠在紅外頻率下打破時(shí)間反演對(duì)稱性和互易性，而無需借助磁場(chǎng)或手性光泵浦。斐索拖拽還提供了用于研究電子液體中的相互作用和非平衡效應(yīng)的工具。

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圖 | 石墨烯的等離子體菲索拖拽：理論和模型

Zhao, W., Zhao, S., Li, H. et al. Efficient Fizeau drag from Dirac electrons in monolayer graphene. Nature 594, 517–521 (2021). https://doi.org/10.1038/s41586-021-03574-4

Dong, Y., Xiong, L., Phinney, I.Y. et al. Fizeau drag in graphene plasmonics. Nature 594, 513–516 (2021). https://doi.org/10.1038/s41586-021-03640-x?

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