关键词：
磁等离激元
石墨烯
模式劈裂
模式耦合
摘要：
表面等离激元（Surface Plasmon,SPs）是入射光子和金属表面自由电子集体振荡耦合而产生的沿金属与介质界面传播的电磁波,可以实现突破衍射极限的光学操纵,因此被广泛用于增强纳米级的光与物质相互作用。在过去的几十年里,表面等离激元已经在贵金属体系中被广泛研究,并在光催化、生物传感、超透镜以及纳米天线等领域发挥着至关重要的作用。然而,贵金属材料本身的光学损耗较大且电导率缺乏动态可调,阻碍了其表面等离激元的发展。作为新兴的二维材料,石墨烯被证明也能支持等离激元共振。并且相比于金属等离激元,石墨烯等离激元能够实现高度光场局域,拥有超长固有寿命,可以达到太赫兹和红外工作频段;石墨烯电导率具有可调谐性,可以通过外加静电场改变石墨烯中载流子的浓度,从而调控石墨烯等离激元特性。基于此,石墨烯等离激元为设计多频段、多功能、可切换光电器件提供了新方案。除此以外,石墨烯独特的线性能带结构使其具有强烈的磁光效应。在外加静磁场作用下,石墨烯中的电子会形成以单粒子回旋运动为基础的集体振荡,其准粒子称之为磁等离激元。因此,可以通过施加静磁场改变石墨烯中载流子的运动状态来动态调控石墨烯等离激元。两种调控的方式不同且互不影响,因此可以灵活搭配来实现等离激元的最优调控。等离激元纳米结构在太赫兹和中红外的应用中展现出巨大的前景,通常该结构会被设计得非常紧凑,此时等离激元耦合问题就不可避免,甚至是在工程所需的功能和宽带宽方面都发挥着重要作用。另一方面,在光学系统中,等离激元耦合也会展现出丰富的物理现象,比如Fano共振、电磁诱导透明以及连续谱中的束缚态等。但目前对于等离激元耦合问题的研究仍停留在携带线性动量模式之间的耦合,缺乏对于角动量模式（比如,圆极化）之间耦合的研究。本文利用COMSOL仿真以及结合耦合偶极子模型,研究了石墨烯体系中的磁等离激元耦合特性。本文主要研究内容和结论如下:（1）研究了石墨烯圆盘在两半圆盘受到不同磁场作用时的磁等离激元（Graphene magnetoplasmons,GMPs）特性。若两个磁场完全是相同的（case I）,在较大的化学势_(（8）下观察到众所周知的对称模式分裂,其中两个GMPs模式（GMP±）分别为不同手性的圆极化;随着_(（8）的减小,较低能量的GMP-将成为损耗显著降低的边界模式。然而,如果两个磁场是方向相反而大小相同的（case II）,对于较大的_(（8）,磁场效应是完全抵消的。也就是说,GMP±是简并和线性极化的;而对于较小的_(（8）,GMP±将再次圆极化,并且GMP-沿着磁域边界单向循环。然而,如果两个磁场的大小不同,则两个GMP±都将表现出沿边界循环的场。更有趣的是,循环场的方向与case II相同,相反的场循环被禁止。引入一个缺陷,循环的单向场不会被破坏,它会顺利地绕过缺陷。最后,石墨烯折叠可用于产生特定的磁场,其中圆盘的两半以不同的角度折叠到均匀的磁场中。尽管结构变形,GMP±的主要特征仍得到了很好的保持。（2）研究了平行（case I）或反平行（case II）磁场存在下石墨烯纳米圆盘二聚体中的磁等离激元耦合（Magnetoplasmon coupling,MPC）特性。发现杂化总是以两个具有相同手性的态出现,且它们的激发取决于入射极化。此外,在case I中,两个反对称模是暗模,但在case II中,所有四个模都是明模。为了提供更好的理解,提出了一个扩展的耦合偶极子模型,该模型将圆极化磁等离激元分解为两个具有/2相位差的两个正交偶极子,然后沿两个正交方向分别用两个线性偶极子描述耦合。磁光效应和耦合强度的参数是独立的,可以很容易地从它们各自的模拟中提取出来。由模型得到的特征值和波函数能较好地描述各杂化模的共振频率和激发强度。最后,本文讨论了点接触时石墨烯纳米盘的MPC,其中电荷转移等离激元不受磁光效应的影响。
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