准粒子寿命是物理体系激发态的关键特征量，它与许多物理现象紧密相关，对于这些物理现象的实际应用至关重要。准粒子的寿命通常被视作体系的内在属性，难以通过主动方式进行调节，目前的相关研究多致力于理解各类激发态退激发的物理机制，以及尝试通过材料选择来被动调节特定激发态的寿命。在近期的研究中，我们另辟蹊径，探索通过主动手段调控寿命的方法，这一方法将有望为未来功能器件提供新的设计思路。
由于石墨烯体系的丰富可调性，石墨烯中的等离激元激发（一种电磁波模式）是尝试准粒子寿命控制研究的理想平台。在研究中，我们使用具有氮化硼间隔层的双层石墨烯作为模型系统，证明了耦合狄拉克体系中的等离激元寿命可以通过外加电场控制其退激发路径来进行主动调节。本质上，我们可将双层石墨烯中的一层用作阻尼放大器，通过外加电场来改变该层石墨烯中的载流子浓度，进而影响整个耦合体系的退激发速率。通过这一方法，耦合等离激元的衰减速率可以达到单层情况下的1.7 倍。实际上，我们还可以利用这种阻尼调制器，设计一个阻尼开关来控制等离激元的传播。该方案也有望应用于其他准粒子及集体激发态体系的寿命调控。
相关研究以 “Electric field-controlled damping switches of coupled Dirac plasmons”为题发表于近期的《物理评论快报》【Physical Review Letters 129, 237402 (2022) 】并被选为Editors’ Suggestion文章。深圳大学高等研究院李晓光副教授为论文通讯作者之一，主要负责石墨烯等离激元的相关理论计算。该论文与中国科学技术大学曾长淦教授课题组合作完成。两研究组基于石墨烯等离激元体系，有着长年的合作基础，此前合作发表的论文涉及到石墨烯超晶格结构中各向异性的等离激元激发【Physical Review B 90, 245415 (2014)】，石墨烯等离激元在势垒上的散射特性【Nano Letters 18, 1373 (2018)】， 以及在石墨烯结合高介电常数材料衬底系统中，通过对等离激元模式的唯象模型分析，预测了一种新的石墨烯等离激元边缘激发模式【Nanoscale 10, 16314 (2018)】。
此外，在类似的双层狄拉克电子气体系中，李晓光副教授和中国科学技术大学的张振宇教授课题组近期合作完成了两项理论研究，重点分析了耦合狄拉克电子气体系中可能存在的新型等离激元激发模式。相关研究成果发表于《物理评论B》（Physical Review B），其一、研究了石墨烯与拓扑绝缘体耦合体系中的等离激元激发【Physical Review B 105, 205408 (2022)】；其二、研究了拓扑绝缘体表面两种不同二维电子气耦合形成的等离激元模式【Physical Review B 105, 195150 (2022)】。
相关文章链接如下：
https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.129.237402
https://doi.org/10.1103/PhysRevB.105.205408
https://doi.org/10.1103/PhysRevB.105.195150
上述系列工作得到了国家自然科学基金的支持。
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