经典的光穿过流动水实验---光会被移动介质拖动
爱因斯坦的狭义相对论有两个基本假设，其中一个是光速不变原理，即一切惯性系中光在真空的传播速度都等于 c 。目前测量确定的真空中光速 c 为 299792458 m/s。
当然，上面说的是光在真空中的传播速度。那么在空气、水等透明介质中光速是多少呢？
科学家经过测量发现，光速与介质的绝对折射率息息相关。其中，绝对折射率是指光从真空射入介质发生折射时入射角与折射角的正弦之比，而光在介质中的传播速度正等于真空中光速除以该介质的绝对折射率。
那么问题来了，在运动的介质中光速又是多少呢？
1851年，法国科学家阿曼德·斐索（Armand Hippolyte Louis Fizeau）进行了著名的光穿过流动水的实验。为了确定介质运动对光速的影响，斐索使用了一台特制的干涉仪进行了流水中的光速测量实验。
图1. 斐索流水实验的装置图
结果发现，当光在移动介质中传播时可以改变光速。也就是说，穿过运动介质的波可以被该介质拖动。这一重大发现是爱因斯坦狭义相对论的实验基石之一，并且在相对论运动学的背景下得到完满的解释。
一期两篇《Nature》，揭示石墨烯中的等离子体被漂移电子拖曳效应
2021年6月24日凌晨，全球顶级期刊《Nature》在线发表了两篇研究文章，分别来自于加州大学伯克利分校王枫教授团队和哥伦比亚大学D. N. Basov教授团队。两项工作不约而同地证明了，在固体介质（石墨烯）中同样存在一种类似的拖动效应，即等离子体激元（光和集体电子振荡的组合）会被石墨烯中的漂移电子拖动。而且，这种等离子体被电子拖曳效应比通过移动介质传播的光的效应要明显得多，无需求助敏感的光学干涉技术即可直接观察到。同期《Nature》刊登了复旦大学晏湖根教授题目为“Plasmons dragged by drifting electrons”的评论文章。
值得注意的是，两篇文章的共同第一作者均为中国留学生，分别是来自王枫教授团队的Zhao Wenyu博士和赵思瀚博士（现为浙江大学物理系助理教授），以及来自D. N. Basov教授团队的在读博士Dong Yinan和Xiong Lin（本科毕业于北京大学）。
不期而会，两个研究团队均发现固体介质（石墨烯）中的等离子体被漂移电子拖曳现象
一般来说，根据波和介质的相对速度方向，这种效应可以增加或减少波的速度。对于通常以巨大速度传播的光波，移动介质的阻力效应可以忽略不计，只有敏感的光学干涉技术才能检测到这种速度变化。
在研究中，两组研究人员通过向金发射一束红外光，将红外光子与石墨烯Dirac电子进行杂交，形成表面等离激元极化子，并使用一种称为近场红外纳米显微镜的成像方法在低温下直接观察等离子体。
研究发现，与在石墨烯中的电子流相反方向传播的等离子激元的波长比在同一方向传播的等离子激元短（图 3）。这意味着阻力效应将等离子体波长改变了几个百分点。而且，这种变化是显着的，因为它可以直接测量而无需求助于敏感的光干涉技术。
图3. 石墨烯中的等离子体被漂移电子拖曳的示意图。
能够直接观察到等离子体被电子拖曳的背后机制及该发现的意义
这到底是怎么回事呢？
通常，如果波垂直于其传播方向振动，则称为横向波，如果它们平行于传播方向振动，则称为纵向波。光是横波，而等离子体是纵波。
在斐索的实验中，光和流动的水是分开的，光可以在没有介质的情况下传播。
然而，对于等离子体，光和电子是分不开的。因此，如果这些电子在电场中漂移，则等离子体可以被其组成电子有效地拖动。最关键的是，由于等离子激元的传播速度比光慢得多，这种阻力效应比通过移动介质的光更容易观察到。
此外，石墨烯中的电子具有高度的移动性且相对稀疏，这一特征是能够在实验中观察到复杂的非线性阻力效应的关键。同时，石墨烯中的电子即使在室温下也具有很高的移动性，这表明在环境条件下可能会观察到阻力效应。
这个发现有什么用途呢？
事实上，这两个团体取得的进展具有深远的影响。
阻力效应导致向前和向后传播的等离子体具有不同的波长和速度，从而引入了一种称为非互易性的特性。结果，时间反转对称性被打破：如果时间方向反转，系统的物理特性就会改变。
通常，需要外部磁场或称为手性泵浦的过程来破坏这种对称性。然而，这些方法中的第一种在等离子体设备的背景下没有用，因为足以打破时间反转对称性的磁场不能应用于设备中的单个光子组件，否则它会影响所有组件。而这两个团队的研究结果表明，漂移电子流可以有效地打破时间反转对称性；这种效应可以很容易地应用于目标光子组件，从而提高设备的可控性，并赋予其多功能性。
参考文献：
1.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
2. 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
3. Hugen Yan. Nature 594, 498-499 (2021) doi: https://doi.org/10.1038/d41586-021-01599-3
原文刊载于【高分子科学前沿】公众号
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