北理工團隊在轉角光子學研究中取得重要進展
發布日期：2023-06-25 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：
日前，北京理工大學物理學院姚裕貴教授團隊成員段嘉華教授與西班牙奧維耶多大學Pablo Alonso Gonzalez教授、西班牙國際物理研究中心Alexey Yu Nikitin教授合作，在轉角光子學中多重光學魔角實驗驗證和中紅外納米光場調控方面取得重要進展。相關成果發表在國際權威期刊《Nature Materials》（Editor Featured），編輯邀請相關專家以“A twist for nanolight”為題在News & Views欄目同期報道。
納米光子學中利用高光場局域極化激元波（光子與其它粒子耦合產生的半光-半物質電磁模式）實現光學通路及其片上集成是光子芯片研究的前沿方向。段嘉華長期從事基于二維量子材料極化激元的紅外納米光場調控研究，在極化激元新奇光學現象實驗觀測[Science Advances 2022, 8, eabp8486; Science advances 2021, 7, abj0127; Nature Communications 2021 12, 4325 ]和納米尺度光場調控及其應用方面[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“轉角光子學”的概念[Nano Letters 2020, 20, 5323]，發現當兩層各向異性二維材料之間轉角為某一固定值（光學魔角）時，極化激元波所有波矢分量對應的波印廷矢量均指向同一方向，即光場能量沿著特定方向低損耗且無衍射傳播，是紅外光的天然納米波導。然而，同一個雙層轉角器件只在某一特定頻率下存在一個光學魔角，即針對單一頻率光子的天然波導。與此同時，光學魔角下光場能量沿某一固定方向傳播，傳統的調控技術（例如構建折射界面、改變介電環境等）無法實現納米光場無衍射傳播的調控。
為了解決這一問題，研究人員在三層轉角氧化鉬晶體中發現多重光學魔角，通過轉角重構實現了納米光場無衍射傳播方向的面內全角度調控（0-360°），且覆蓋寬光譜頻率。如圖1所示，通過自主搭建的微操控平臺可以精確控制三層轉角氧化鉬晶體中的轉角度數，而通過微區拾取技術可以將制備的三層氧化鉬結構進行拆分，重復上述過程可以實現轉角的多次重構。基于紅外納米成像技術，研究同一個樣品中轉角對紅外納米光場無衍射傳播的調制作用。實驗發現當轉角改變時，紅外納米光場的傳播方向由φc°="50°變為φc°=90°。
圖1 三層轉角氧化鉬晶體中的光學魔角，此時極化激元沿某一方向高度定向傳播（無衍射損耗）。
通過構建多層轉角結構普適的理論模型，研究人員發現三層轉角氧化鉬晶體中極化激元無衍射傳播方向強烈依賴于轉角。如圖2所示，當轉角（θ1-2為第一層和第二層氧化鉬晶體之間的轉角，θ1-3為第一層和第三層氧化鉬晶體之間的轉角）發生改變時等頻線法線方向也在發生變化（例如θ1-2 ="30°," θ1-3 =""-40°時法線與豎直方向夾角為φc=50°，而θ1-2 =30°, θ1-3 =""-60°時φc=80°），即可以通過改變三層氧化鉬晶體轉角實現納米紅外光場低損耗、無衍射傳播的面內全角度調控。可以看到，在雙層轉角氧化鉬晶體中通過改變材料層厚、入射光頻率等多個參數僅能在0-30°的范圍內實現納米光場無衍射傳播方向的調控。然而，三層轉角氧化鉬晶體中通過改變轉角（相同的三層氧化鉬晶體，不改變材料層厚）可以實現納米紅外光場無衍射傳播方向的面內全角度（0-360°）調控。
圖2 三層轉角氧化鉬晶體中的多重光學魔角和極化激元無衍射傳播面內全角度調控。
為了在實驗上直接觀測三層氧化鉬晶體中轉角對納米紅外光場無衍射傳播的調制作用，研究人員采用了散射型掃描近場光學顯微鏡（s-SNOM）來表征三層轉角氧化鉬晶體的近場光學分布。從圖3中可以看到：在三層轉角氧化鉬晶體中存在多個光學魔角，不同光學魔角下納米紅外光場沿不同方向低損耗、無衍射傳播，與之前的理論研究一致。也就是說，通過改變轉角可以在三層氧化鉬晶體中實現納米光場無衍射傳播方向的面內全角度調控。
圖3 不同轉角三層氧化鉬晶體的近場光學圖像。當轉角發生變化時，極化激元沿不同方向無衍射傳播。
除此之外，理論研究還表明，三層轉角氧化鉬晶體中極化激元等頻線可以在很寬的頻率范圍（870 cm-1-940 cm-1）內表現為平行直線（無衍射傳播）。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角氧化鉬晶體的近場光學圖像。當入射光頻率從901 cm-1變化至930 cm-1時，近場光學圖像與理論預言一致：金納米天線激發的極化激元表現為沿著φc=""50°的方向高度定向傳播（無衍射損耗）。這說明在三層轉角氧化鉬晶體中光學魔角具有光譜魯棒性，可以在寬光譜范圍內實現紅外納米光場的高度定向傳播。
圖4 三層轉角氧化鉬晶體中光學魔角可實現寬光譜頻率極化激元的無衍射傳播。
相關論文鏈接如下：
https://www.nature.com/articles/s41563-023-01582-5
https://www.nature.com/articles/s41563-023-01586-1
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