等離子體激元有可能使光子器件小型化，但通常是短暫的。顯微鏡顯示石墨烯材料中的等離子體激元可以在低溫下克服這種限制。
等離子體激元有可能使光子器件小型化，但通常是短暫的。顯微鏡顯示材料石墨烯中的等離子體激元可以在低溫下克服這種限制。
等離子體的電子振盪可以將光限制在納米尺度並進行操縱，但等離子體激元會造成能量損失。光限制越嚴格，等離子激元的壽命越短。這是這些振盪的實際使用中的主要障礙。在一篇刊登在NATURE的論文中，NI等人使用稱為掃描近場光學顯微鏡的技術在低溫（60開爾文）研究石墨烯這種單層碳原子中的等離子體激元。作者表明，石墨烯等離子體激元可以產生非常緊湊的光限制，同時保持較長的使用壽命。
光的傳播涉及電場和磁場的振盪。這種振盪定義了光的頻率和波長之間的關係，並支撐了衍射極限。事實上，在自由空間中，如果光通過比其波長更窄的區域，光就會散開。當光與等離子體相互作用時，它的速度可以大大降低，從而使其被限制在遠小於其自由空間波長的距離內。因此，等離子體激元已經成為控制納米級光行為的通用工具。然而，將光限制在其波長之下的相同光等離激元相互作用也使得能量通過電子的散射而損失。
諸如銀和金等貴金屬通常用於等離子體激元，但遭受高損失。在過去的幾年中，二維材料已成為有前途的替代品。當使用石墨烯時，等離子體激元可以將光壓縮至光的自由空間波長的三分之一的距離。此外，石墨烯的電子密度可以容易地控制，這提供了調整等離子體激元性質的直接電子手段。儘管持續改善石墨烯質量的努力取得了穩步進展，但等離子體激元損失仍然很大。
為了推動等離子體激元傳播的極限， Ni和同事在含有高質量石墨烯的裝置中在低溫下發射和成像等離子體。這些溫度的使用使由溫度敏感過程引起的損失最小化，例如電子從機械振動中散射的情況。作者定製了一種被稱為掃描近場光學顯微鏡的儀器，以便它可以在低溫下運行。儘管這些儀器常用於在室溫下研究等離子體激元，但在較低溫度下操作它們一直很困難。
Ni等人使用顯微鏡的狹窄金屬尖端在石墨烯裝置中發射等離子體激元。然後，他們掃描裝置上的尖端，以便對從器件邊緣反射的等離子體激元產生的干涉圖案和器件表面上的微結構進行成像。這種技術特別有用，因為它在設備內部發射等離子體激元，限制了與設備邊緣相互作用造成的損耗。在其他方法中，這種損失可能很大。
Ni和同事們的勞動成果是明顯的等離子干涉條紋(亮帶和暗帶)，這些條紋在整個裝置中被發現，並且從任何邊界延伸出幾微米。這些條紋使得整個設備以特有的洗衣板狀圖案“點亮”。這些等離子體同時具有相對長的壽命（達到1.6皮秒; 1個PS是10 -12秒），並將光限制在小於自由空間波長六分之一的距離。它們的質量因數（能量保持的量度）是130，這是能夠實現如此緊湊的光限制的等離子體激元的記錄。因此，等離子體的性能在嚴格限制和高損失之間進行了平衡。這是可能的，因為作者的石墨烯裝置的質量極高，它含有高度移動的電子，可以在幾微米內移動而不會散射。
引人注目的是，利用詳細的建模和系統收集的溫度相關數據的組合，Ni和他的同事確定低溫下能量損失的主要原因不是石墨烯中的電子散射。相反，等離子體激元損失主要來自包圍石墨烯的絕緣材料。因此可以通過減少這些外部損耗來改善等離子體的質量，例如通過改變這種絕緣材料來減少損失。作者還建議，等離子體在低溫下傳播的內在（基本）限制尚未達到。他們計算出，質量因素可能比本文件中所報告的高出7倍以上。
Ni和同事的石墨烯等離子體激元的卓越品質為納米光子平臺樹立了新的標準。現在可以認為這種等離子體激元中的嚴密限制光線具有高度穩定性，能夠在幾微米的距離上進行定向和操縱。未來的可能性是巨大的，從基礎（如探測等離子體激元的拓撲結構和幾何結構）到應用（包括納米級等離激元激光器、敏感光探測器、光的次波長路由和納米級光學互連）。作者的高品質石墨烯等離子體，結合最近開發的技術，大幅減少等離子體的整體尺寸，為石墨烯基納米光子學提供了一個引人注目的案例。
然而，也許最令人興奮的是利用低溫掃描近場光學顯微鏡探測等離子體以外的激發物的前景。諸如超導體、鐵磁體和反鐵磁體等物質具有可以使用這種技術的可能。使低溫操作成為激發和研究其複雜動力學的關鍵。
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