北理工團(tuán)隊(duì)在紅外納米光場(chǎng)傳播調(diào)控方面取得重要進(jìn)展
發(fā)布日期：2025-03-13 供稿：物理學(xué)院 攝影：物理學(xué)院
編輯：王莉蓉 審核：陳珂 閱讀次數(shù)：
光子可以像電子一樣作為信息載體來生成,、處理,、傳輸信息,。與電子相比，光子作為信息載體具有速度快,、帶寬高,、容量大的優(yōu)勢(shì)。光子芯片有望解決電子芯片解決不了的功耗、訪存能力和計(jì)算機(jī)整體性能等難題,，被認(rèn)為是下一代通信技術(shù)(光通信)的基礎(chǔ)設(shè)施,。雖然光子芯片的研究已經(jīng)取得了非常多的重要進(jìn)展，但下一代納米光電芯片的開發(fā),、集成和應(yīng)用一直存在兩個(gè)關(guān)鍵問題：1.光場(chǎng)衍射限制了光電器件的小型化和集成化(光場(chǎng)局域問題),；2.光子的玻色子屬性導(dǎo)致光與物質(zhì)相互作用較弱，與電子相比光子更難操控(光場(chǎng)操控問題),。
納米光子學(xué)中利用極化激元（光子與其它粒子耦合產(chǎn)生的特殊電磁模式）實(shí)現(xiàn)光學(xué)通路及其片上集成是光子芯片研究的前沿方向,。極化激元的高光場(chǎng)局域特性有望解決光場(chǎng)局域問題，其半光-半物質(zhì)屬性也為解決光場(chǎng)操控問題提供了有力手段,。此前,，北京理工大學(xué)物理學(xué)院姚裕貴教授團(tuán)隊(duì)成員段嘉華教授與西班牙奧維耶多大學(xué)Pablo Alonso Gonzalez教授合作，在三層轉(zhuǎn)角氧化鉬材料中發(fā)現(xiàn)了多重“光學(xué)魔角”,，極化激元所有波矢分量對(duì)應(yīng)的波印廷矢量均指向同一方向,，即光場(chǎng)能量沿著特定方向低損耗且非衍射傳播，是紅外光的天然納米波導(dǎo),。相關(guān)工作發(fā)表于Nature Materials [22, 867 (2023)],并入選2023年中國光學(xué)十大影響力事件,。然而，多層轉(zhuǎn)角結(jié)構(gòu)制備過程較為復(fù)雜,，精確控制轉(zhuǎn)角和二維材料厚度需要進(jìn)行多次材料制備和樣品對(duì)準(zhǔn)過程,，不利于非衍射極化激元的實(shí)際應(yīng)用。
鑒于此,，北京理工大學(xué)物理學(xué)院姚裕貴教授團(tuán)隊(duì)成員段嘉華教授與西班牙奧維耶多大學(xué)Pablo Alonso Gonzalez教授再次合作,，在Science Advances在線發(fā)表“Canalization-based super-resolution imaging using an individual van der Waals thin layer”的研究成果。研究者通過精確調(diào)控極化激元材料的介電環(huán)境,，在單個(gè)氧化鉬薄層中實(shí)現(xiàn)了極化激元的非衍射傳播,，從而避免了轉(zhuǎn)角結(jié)構(gòu)所需的復(fù)雜樣品制備過程。在此基礎(chǔ)上,，他們提出了基于極化激元非衍射傳播的超分辨光學(xué)成像方案,，成像分辨率為入射光波長(zhǎng)的220分之一。
圖1
圖1展示了不同介電環(huán)境對(duì)單個(gè)氧化鉬薄層中極化激元傳播行為的調(diào)制作用,。圖A的示意圖展示了當(dāng)氧化鉬材料襯底由二氧化硅變?yōu)樘蓟钑r(shí),，極化激元由傳統(tǒng)的雙曲傳播變?yōu)楦叨榷ㄏ騻鞑ィǚ茄苌鋫鞑ィDB中給出了在單個(gè)氧化鉬薄層中實(shí)現(xiàn)極化激元非衍射傳播的理想襯底介電常數(shù)（紅色實(shí)線）,，其中二氧化硅（黑色實(shí)線）和金（橙色實(shí)線）襯底介電常數(shù)與理想介電常數(shù)相差較大,，而碳化硅襯底（綠色實(shí)線）介電常數(shù)與理想介電常數(shù)較為接近。圖C和圖D分別給出了碳化硅和二氧化硅襯底上極化激元色散行為的解析解,。圖E-H給出了碳化硅襯底上極化激元在不同入射光波數(shù)時(shí)傳播行為的數(shù)值模擬結(jié)果,，表明了在很寬的頻率范圍內(nèi)極化激元都表現(xiàn)出非衍射傳播,。圖I-L給出了二氧化硅襯底上極化激元在不同波數(shù)時(shí)傳播行為的數(shù)值模擬結(jié)果，極化激元表現(xiàn)出常見的雙曲傳播行為,。
圖2
圖2展示了碳化硅襯底上氧化鉬材料中極化激元的近場(chǎng)光學(xué)圖像,。研究人員基于納米級(jí)空間分辨率的紅外近場(chǎng)光學(xué)成像技術(shù)對(duì)極化激元傳播行為進(jìn)行實(shí)空間成像。圖A給出了紅外納米成像的示意圖,，通過金屬納米天線激發(fā)氧化鉬中的極化激元,，針尖逐點(diǎn)掃描將近場(chǎng)信號(hào)散射到遠(yuǎn)場(chǎng)探測(cè)器，最后獲得實(shí)空間圖像,。圖B-D分別是不同入射光波數(shù)下極化激元的實(shí)空間成像,，極化激元沿著水平方向高度定向傳播，即非衍射傳播,。圖E-G為相應(yīng)的數(shù)值模擬結(jié)果,，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合良好。圖H中展示了極化激元傳播的波形圖,，可以提取出極化激元非衍射傳播的波長(zhǎng),。圖I給出了非衍射傳播極化激元的光學(xué)色散和傳播壽命。
圖3
圖3展示了基于極化激元非衍射傳播的超分辨成像方案,。圖A表明,，極化激元的非衍射傳播可以在氧化鉬上表面復(fù)現(xiàn)氧化鉬下表面金屬納米天線的局域電磁場(chǎng)分布。圖B-D給出了七個(gè)不同間隔金納米天線的近場(chǎng)光學(xué)成像和數(shù)值模擬結(jié)果,，由于極化激元非衍射傳播,，可以在入射光波長(zhǎng)為11微米的條件下分辨間隔僅為50nm的兩個(gè)金納米圓盤（6和7）。圖E中研究人員將氧化鉬材料旋轉(zhuǎn),，可以上表面的不同位置處重現(xiàn)金納米天線的電磁場(chǎng)分布,，在光信息傳輸、光電探測(cè),、分子檢測(cè)等多個(gè)領(lǐng)域具有應(yīng)用潛力,。圖F-H為相應(yīng)的近場(chǎng)光學(xué)成像和數(shù)值模擬結(jié)果。圖I-K表明可以通過旋轉(zhuǎn)氧化鉬材料在很大的空間范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)金納米天線電磁場(chǎng)分布的重現(xiàn),。
文獻(xiàn)鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.ads0569
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