厦大团队实现可调谐杂化极化激元及其光学拓扑转变
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麻省理工科技评论-厦大团队实现可调谐杂化极化激元及其光学拓扑转变
作为光子与物质作用形成的准粒子，极化激元（polaritons）提供了一种独特的方式来利用和操纵光，对光物理、光化学、光信息等诸多研究领域意义重大。
金属能够通过其自由电子和光子的作用形成表面等离极化激元（Surface Plasmon Polaritons，简称 SPP），但 SPP 的寿命较低，应用上受到许多限制。相比 SPP，二维材料不仅能够支持极化激元的传播，而且该材料中的极化激元损耗更小，在集成和超薄纳米光子器件方面应用前景广阔。
不过，二维材料中的极化激元在应用时受制于色散的调控。研究人员可以通过石墨烯条带和 hBN 条带等结构化的二维材料，以及双层扭转的石墨烯条带和 α-MoO3 对极化激元的色散进行有效的调控，以实现可定制的极化激元，这是走向按需控制极化激元的关键环节。
但是，当前现有的调控方法缺乏动态可调性，各向异性极化激元的主动调谐是科学家急需解决的重大问题。近日，厦门大学物理科学与技术学院陈焕阳教授团队同 Qiaoliang Bao 教授团队、中国地质大学戴志高教授团队及新加坡国立大学仇成伟教授团队合作，为这一问题带来了应对之法。
据介绍，“他们在各向同性材料石墨烯和天然双轴晶体 α-MoO3 的异质结构界面上实现了可调谐的杂化极化激元及其光学拓扑转变，并且在实验上验证了拥有不同厚度 α-MoO3 的石墨烯 /α-MoO3 异质结构中存在杂化极化激元。”
相关论文以《用界面工程裁剪双轴晶体中各向异性极化激元的拓扑相变》（Tailoring Topological Transitions of Anisotropic Polaritons by Interface Engineering in Biaxial Crystals）为题，以封面形式发表在 Nano Letters 上，Qiaoliang Bao 教授、陈焕阳教授和戴志高教授担任通讯作者。
据了解，在中红外波段，石墨烯能够激发各向同性的 SPP，而 α-MoO3 在其剩余射线带能够激发声子极化激元 PhP(Phonon polaritons)。
此次，该团队基于石墨烯 SPP 和 α-MoO3 中的 PhP 重叠的激发波长，通过不同的 α-MoO3 和石墨烯的界面工程来调控杂化极化激元的色散，获得了定制化的各向异性极化激元及其可调谐的光学拓扑转变。
光学拓扑转变是指极化激元的面内等频线（iso-frequency curve）从圆和椭圆等封闭曲线变成开放的曲线。对于各向同性材料来说，其面内等频曲线是圆，极化激元在各个方向上拥有同样的传播波矢；而对于各向异性材料，介电常数同号时，其面内等频曲线是椭圆，极化激元拥有与传播方向有关的不同波矢；介电常数异号时，它的面内等频曲线是双曲线，极化激元不仅拥有与传播方向有关的不同波矢，而且能支持无限大波矢的波向前传播，这类材料可应用于负折射和超分辨成像等。
为验证石墨烯 /α-MoO3 异质结构中的杂化极化激元，研究人员对其和 α-MoO3 的样品进行了加工。他们发现，在 α-MoO3 中，由边界激发的 PhP 只能沿 100 方向，而沿 001 方向不能传播，这是由其双曲的色散特性决定的。而对于石墨烯/α-MoO3 异质结构中的杂化极化激元可以沿 α-MoO3 中 PhP 禁止方向进行传播，并拥有各个方向的的各向异性波矢。
同时，该团队得出，极化激元的波长与激发频率有关，因此能够通过改变激发频率来对极化激元的波长和波矢进行调节。
此外，该团队表示，在其提出的异质结构中，石墨烯和 α-MoO3 之间的层间耦合能够以费米能级作动态调节。随着石墨烯费米能级的增加，石墨烯 SPP 的波矢逐渐减小，在低k处石墨烯 SPP 对杂化激元的影响逐渐增大，使得杂化极化激元的色散曲线从双曲变成椭圆，波前从开放到闭合。
接着，该团队对石墨烯/α-MoO3 异质结构中 α-MoO3 的厚度进行了调节，尝试以此来控制杂化极化激元的色散。结果表明，α-MoO3 激发的 PhP 会随着 α-MoO3 厚度的减小而对杂化极化激元的影响越来越小，这让异质结构中杂化极化激元的各向异性程度也随之降低，色散曲线最终变为了椭圆。
最后，该团队对不同 α-MoO3 厚度的石墨烯/α-MoO3 异质结构中的杂化极化激元寿命进行了计算，并惊喜地发现，石墨烯/α-MoO3 异质结构中极化激元比 α-MoO3 中的 PhP 寿命长得多。
该团队称，“这项研究为基于低损耗极化激元的可调谐光子器件，光学信号处理及神经形态光子电路等奠定了基础，并得到国家自然科学基金委、重点研发计划、国家留学基金委及 111 引智项目的大力支持。”
-End-
参考：
1、Yali Zeng et al. Tailoring Topological Transitions of Anisotropic Polaritons by Interface Engineeringin Biaxial Crystals. Nano Letters （2022）https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.2c00399
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