北理工團(tuán)隊(duì)在轉(zhuǎn)角光子學(xué)研究中取得重要進(jìn)展
發(fā)布日期：2023-06-25 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)：
日前,，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,、西班牙國(guó)際物理研究中心Alexey Yu Nikitin教授合作,，在轉(zhuǎn)角光子學(xué)中多重光學(xué)魔角實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證和中紅外納米光場(chǎng)調(diào)控方面取得重要進(jìn)展,。相關(guān)成果發(fā)表在國(guó)際權(quán)威期刊《Nature Materials》（Editor Featured）,，編輯邀請(qǐng)相關(guān)專(zhuān)家以“A twist for nanolight”為題在News & Views欄目同期報(bào)道,。
納米光子學(xué)中利用高光場(chǎng)局域極化激元波（光子與其它粒子耦合產(chǎn)生的半光-半物質(zhì)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,。段嘉華長(zhǎng)期從事基于二維量子材料極化激元的紅外納米光場(chǎng)調(diào)控研究,，在極化激元新奇光學(xué)現(xiàn)象實(shí)驗(yàn)觀測(cè)[Science Advances 2022, 8, eabp8486; Science advances 2021, 7, abj0127; Nature Communications 2021 12, 4325 ]和納米尺度光場(chǎng)調(diào)控及其應(yīng)用方面[Nature Reviews Physics 2022, 4, 578; Science Advances 2021, 7, eabf2690; Nature Materials 2020, 19, 964]取得系列成果。其中,，2020年與世界其他研究小組一起首次提出“轉(zhuǎn)角光子學(xué)”的概念[Nano Letters 2020, 20, 5323],，發(fā)現(xiàn)當(dāng)兩層各向異性二維材料之間轉(zhuǎn)角為某一固定值（光學(xué)魔角）時(shí)，極化激元波所有波矢分量對(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無(wú)衍射傳播,，是紅外光的天然納米波導(dǎo)。然而,，同一個(gè)雙層轉(zhuǎn)角器件只在某一特定頻率下存在一個(gè)光學(xué)魔角,，即針對(duì)單一頻率光子的天然波導(dǎo)。與此同時(shí),，光學(xué)魔角下光場(chǎng)能量沿某一固定方向傳播,，傳統(tǒng)的調(diào)控技術(shù)（例如構(gòu)建折射界面、改變介電環(huán)境等）無(wú)法實(shí)現(xiàn)納米光場(chǎng)無(wú)衍射傳播的調(diào)控,。
為了解決這一問(wèn)題,，研究人員在三層轉(zhuǎn)角氧化鉬晶體中發(fā)現(xiàn)多重光學(xué)魔角，通過(guò)轉(zhuǎn)角重構(gòu)實(shí)現(xiàn)了納米光場(chǎng)無(wú)衍射傳播方向的面內(nèi)全角度調(diào)控（0-360°）,，且覆蓋寬光譜頻率,。如圖1所示，通過(guò)自主搭建的微操控平臺(tái)可以精確控制三層轉(zhuǎn)角氧化鉬晶體中的轉(zhuǎn)角度數(shù),，而通過(guò)微區(qū)拾取技術(shù)可以將制備的三層氧化鉬結(jié)構(gòu)進(jìn)行拆分,，重復(fù)上述過(guò)程可以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)角的多次重構(gòu)?；诩t外納米成像技術(shù),，研究同一個(gè)樣品中轉(zhuǎn)角對(duì)紅外納米光場(chǎng)無(wú)衍射傳播的調(diào)制作用。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)當(dāng)轉(zhuǎn)角改變時(shí),，紅外納米光場(chǎng)的傳播方向由φc°="50°變?yōu)棣誧°=90°,。
圖1 三層轉(zhuǎn)角氧化鉬晶體中的光學(xué)魔角，此時(shí)極化激元沿某一方向高度定向傳播（無(wú)衍射損耗）,。
通過(guò)構(gòu)建多層轉(zhuǎn)角結(jié)構(gòu)普適的理論模型,，研究人員發(fā)現(xiàn)三層轉(zhuǎn)角氧化鉬晶體中極化激元無(wú)衍射傳播方向強(qiáng)烈依賴(lài)于轉(zhuǎn)角。如圖2所示,，當(dāng)轉(zhuǎn)角（θ1-2為第一層和第二層氧化鉬晶體之間的轉(zhuǎn)角,，θ1-3為第一層和第三層氧化鉬晶體之間的轉(zhuǎn)角）發(fā)生改變時(shí)等頻線(xiàn)法線(xiàn)方向也在發(fā)生變化（例如θ1-2 ="30°," θ1-3 =""-40°時(shí)法線(xiàn)與豎直方向夾角為φc=50°，而θ1-2 =30°, θ1-3 =""-60°時(shí)φc=80°），即可以通過(guò)改變?nèi)龑友趸f晶體轉(zhuǎn)角實(shí)現(xiàn)納米紅外光場(chǎng)低損耗,、無(wú)衍射傳播的面內(nèi)全角度調(diào)控,。可以看到,，在雙層轉(zhuǎn)角氧化鉬晶體中通過(guò)改變材料層厚,、入射光頻率等多個(gè)參數(shù)僅能在0-30°的范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)納米光場(chǎng)無(wú)衍射傳播方向的調(diào)控。然而,，三層轉(zhuǎn)角氧化鉬晶體中通過(guò)改變轉(zhuǎn)角（相同的三層氧化鉬晶體,，不改變材料層厚）可以實(shí)現(xiàn)納米紅外光場(chǎng)無(wú)衍射傳播方向的面內(nèi)全角度（0-360°）調(diào)控。
圖2 三層轉(zhuǎn)角氧化鉬晶體中的多重光學(xué)魔角和極化激元無(wú)衍射傳播面內(nèi)全角度調(diào)控,。
為了在實(shí)驗(yàn)上直接觀測(cè)三層氧化鉬晶體中轉(zhuǎn)角對(duì)納米紅外光場(chǎng)無(wú)衍射傳播的調(diào)制作用,，研究人員采用了散射型掃描近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡（s-SNOM）來(lái)表征三層轉(zhuǎn)角氧化鉬晶體的近場(chǎng)光學(xué)分布。從圖3中可以看到：在三層轉(zhuǎn)角氧化鉬晶體中存在多個(gè)光學(xué)魔角,，不同光學(xué)魔角下納米紅外光場(chǎng)沿不同方向低損耗,、無(wú)衍射傳播，與之前的理論研究一致,。也就是說(shuō),，通過(guò)改變轉(zhuǎn)角可以在三層氧化鉬晶體中實(shí)現(xiàn)納米光場(chǎng)無(wú)衍射傳播方向的面內(nèi)全角度調(diào)控。
圖3 不同轉(zhuǎn)角三層氧化鉬晶體的近場(chǎng)光學(xué)圖像,。當(dāng)轉(zhuǎn)角發(fā)生變化時(shí),，極化激元沿不同方向無(wú)衍射傳播。
除此之外,，理論研究還表明,，三層轉(zhuǎn)角氧化鉬晶體中極化激元等頻線(xiàn)可以在很寬的頻率范圍（870 cm-1-940 cm-1）內(nèi)表現(xiàn)為平行直線(xiàn)（無(wú)衍射傳播）。如圖4所示,，研究人員采用s-SNOM獲得了不同入射光頻率下三層轉(zhuǎn)角氧化鉬晶體的近場(chǎng)光學(xué)圖像,。當(dāng)入射光頻率從901 cm-1變化至930 cm-1時(shí)，近場(chǎng)光學(xué)圖像與理論預(yù)言一致：金納米天線(xiàn)激發(fā)的極化激元表現(xiàn)為沿著φc=""50°的方向高度定向傳播（無(wú)衍射損耗）,。這說(shuō)明在三層轉(zhuǎn)角氧化鉬晶體中光學(xué)魔角具有光譜魯棒性,，可以在寬光譜范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)紅外納米光場(chǎng)的高度定向傳播。
圖4 三層轉(zhuǎn)角氧化鉬晶體中光學(xué)魔角可實(shí)現(xiàn)寬光譜頻率極化激元的無(wú)衍射傳播,。
相關(guān)論文鏈接如下：
https://www.nature.com/articles/s41563-023-01582-5
https://www.nature.com/articles/s41563-023-01586-1
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