表面等离激元耦合对量子摩擦的调控研究

In recent years, it is found that frictions can exist between two surfaces that are in relative motion even when there is no direct contact, such frictions are called non-contact friction. A lot of physical mechanism have been proposed to investigate the non-contact friction. One of the mechanisms is due to the exchange of Doppler-shift photon between two dielectrics in relative motion, which is the reason of occurrence of quantum friction. The quantum friction between surfaces can be enhanced significantly if the surfaces can support surface modes, such as surface plasmons (SPs) or surface phonon-polariton. SPs can be excited by graphene, furthermore, its optical properties can be modulated by chemical potential of graphene. Therefore, graphene become the perfect material to study and modulate quantum friction. This proposal concentrates on the two following parts: (1) We study the modulation of quantum friction with the help of coupling of different surface modes which are excited at the interfaces of graphene and metamaterials. The modulation of quantum frictions will be studied with help of coupling of surface modes from different interfaces in graphene-based multilayer structure as well. (2) We study the quantum friction between dielectric-based hyperbolic metamaterials as well as graphene-based hyperbolic metamaterials. It will help us to understand the contributions of hyperbolic modes and SPs in enhancing of the quantum frictions. We believe this proposal is helpful to solve some controversies in quantum friction, and is also valuable in the development of nanotribology.

近年来人们发现在微纳米尺度下，作相对运动的两物体间即使没有直接接触也会有摩擦，这种摩擦称为非接触摩擦。关于非接触摩擦的物理机制有很多，其中一种是由两相对运动的材料之间交换Doppler频移光子造成的，称为量子摩擦。表面等离激元、表面声子等表面模式在近场范围能够有效地增强相对运动材料之间的量子摩擦。石墨烯可以支持表面等离激元，且其光学性质可以利用外场调控，所以我们选择石墨烯材料为主要对象来研究量子摩擦。本项目的研究内容可以归纳为两个主要方面：(1) 利用石墨烯与特异材料界面处不同表面模式的耦合，或石墨烯多层结构中来自于不同界面处的表面模式的耦合来调控量子摩擦。(2) 研究由普通介质材料组成的双曲特异材料或石墨烯基双曲特异材料之间的量子摩擦，弄清双曲模式，等离激元模式等对增强量子摩擦的作用。本项目的开展对于解决量子摩擦的部分争议问题具有重要帮助，对于纳米摩擦学的发展也具有重要科学价值。

量子摩擦不仅是一个有关光与物质相互作用的基本科学问题，而且在微/纳机电器件的制作方面也具有重要的应用价值。由于目前在实验上测量量子摩擦还存在很大的困难，即使在理论研究方面还存在一些争议，所以开展量子摩擦方面的研究在理论和应用方面都具有重要意义。本项目以理论研究和数值计算为主，主要开展了4个方面的研究工作：(a) 利用涨落—耗散定理研究了具有石墨烯覆层的双曲型超材料之间的量子摩擦，发现石墨烯所支持的表面等离激元与双曲超材料支持的双曲声子极化子模式的耦合对增强和调控量子摩擦具有重要帮助。(b) 研究了一维单原子链的滑动距离与其初速度的关系，发现当原子链的初速度取某些特定值时，即使初速度很大，原子链的滑动距离也可能很短，这与宏观世界中物体的初速度越大滑动距离越远是完全不同的。(c) 系统地研究了基于石墨烯、黑磷以及六方氮化硼等新型二维材料的超材料和超表面附近的电磁局域态密度、自发辐射等问题，得到了一系列的研究成果。(d) 系统地研究了基于上述二维材料的近场辐射热传输问题，详细地探讨了表面等离激元、表面声子极化子、双曲表面等离激元之间的耦合对近场辐射热传输的影响，取得了一系列研究成果。. 在本项目的资助下，项目组共发表17篇相关的SCI论文（第一标注本项目论文16篇），其中影响因子2.0以上的9篇，影响因子3.0以上的有4篇。另外，培养了4名物理学和光学工程专业的硕士研究生，另外还有8名在读研究生，协助培养了2名博士生研究生，其中一名研究生获得2019年度“江西省优秀硕士论文”。