北理工團隊發(fā)現(xiàn)二維材料雙層結(jié)構(gòu)中光學拓撲性調(diào)控新機理
發(fā)布日期：2023-08-01 供稿：物理學院 攝影：物理學院
編輯：王莉蓉 審核：陳珂 閱讀次數(shù)：
日前,，北京理工大學物理學院姚裕貴教授,、王沖特別研究員，以及復(fù)旦大學物理系的晏湖根教授和新加坡國立大學的仇成偉教授合作,，共同揭示了操控雙層薄膜中的極化激元的光學拓撲性的新機制。相關(guān)研究題目為《扭轉(zhuǎn)角度和膜厚比調(diào)控雙層范德瓦爾茲薄膜中的極化激元》（Twist-Angle and Thickness-Ratio Tuning of Plasmon Polaritons in Twisted Bilayer van der Waals Films），成果被發(fā)表在《納米快報》（Nano Letters）上,。
近年來，具有定向傳播特性,、高光場局域性和超高態(tài)密度的雙曲型等離激元模式受到人們廣泛關(guān)注,，并在等離激元傳播和操控、納米尺度成像,、負折射率和自發(fā)輻射調(diào)控等方面有廣泛的應(yīng)用前景,。近期，基于各向異性二維材料的天然雙曲表面由于擺脫了微納結(jié)構(gòu)限制,，具有更高的光場局域性和光子態(tài)密度,，成為當前研究的重點方向。通過調(diào)控雙曲區(qū)間的頻率范圍，可以實現(xiàn)極化激元拓撲性從橢圓到雙曲的拓撲相變,，同時對應(yīng)了極化激元光場局域能力和態(tài)密度的改變,。因此，實現(xiàn)雙曲等離激元調(diào)控對于光束傳播操控,、自發(fā)輻射和熱輻射的可控調(diào)制具有重要意義,。
構(gòu)造二維材料雙層轉(zhuǎn)角結(jié)構(gòu)為調(diào)控天然雙曲極化激元提供了一種重要方法。通過改變兩層各向異性二維材料之間的轉(zhuǎn)角,，可以實現(xiàn)從雙曲到橢圓拓撲性的調(diào)控,。然而，一方面,，雙層轉(zhuǎn)角結(jié)構(gòu)中極化激元拓撲性的調(diào)控機理還需進一步研究,；另一方面，該結(jié)構(gòu)中另一個重要的自由度——“兩層材料的厚度比”,，對極化激元拓撲性的調(diào)控能力仍然不清楚,。
針對以上問題，研究人員選擇最近發(fā)現(xiàn)的天然雙曲等離激元材料WTe2作為研究對象,，并制作了雙層轉(zhuǎn)角結(jié)構(gòu),。通過改變旋轉(zhuǎn)角度（Twist Angle）和薄膜厚度比（Thickness Ratio），研究人員詳細研究了雙層結(jié)構(gòu)中天然雙曲區(qū)間頻率的變化,。研究團隊分析了非圖案化薄膜的消光光譜,，并對斜帶狀陣列中等離子體極化激元強度的偏振依賴性進行了細致研究。兩種探測方法均表明,，通過改變薄膜厚度比和雙層旋轉(zhuǎn)角,，可以實現(xiàn)極化激元拓撲性從雙曲區(qū)間向橢圓區(qū)間的轉(zhuǎn)變。研究表明,，這種調(diào)控的關(guān)鍵在于雙曲薄膜整體表現(xiàn)的表面光學導電率,，可以通過將兩個薄膜的光學導電率值相加得到。這種方法為所觀察到的膜厚比和扭轉(zhuǎn)角度可調(diào)拓撲轉(zhuǎn)變提供了明確且一致的解釋,。
姚裕貴團隊的王沖特別研究員與復(fù)旦大學博士生謝元鋼為文章的共同第一作者,。姚裕貴教授、晏湖根教授及仇成偉教授為通訊作者,。北京理工大學為文章第一單位,。該工作得到了國家重點研發(fā)計劃和國家自然科學基金委的資助。
圖1 WTe2雙層薄膜結(jié)構(gòu)雙曲區(qū)間隨薄膜厚度比和扭轉(zhuǎn)角度依賴關(guān)系,。
圖2 雙層薄膜結(jié)構(gòu)兩個方向電導率虛部比值隨薄膜厚度比和扭轉(zhuǎn)角度依賴關(guān)系,。實線為雙層電導率相加模型擬合結(jié)果。
文章鏈接： https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.3c01472
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