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封面图：通过在氧化钼上覆盖石墨烯构筑的范德华异质结以及天线激发极化激元传输形成负折射的示意图
与电子相比，光子具有速度快、能耗低、容量高等诸多优势，被寄予未来大幅提升信息处理能力的厚望。因此光电融合被认为是构建下一代高效率、高集成度、低能耗信息器件的重要方向。然而光子不携带电荷且光的传输受限于光学衍射极限，相比于能轻易通过电学调控的电子，对光子的纳米尺度局域和操控并不容易。我国固体物理学家黄昆院士在1951年通过著名的“黄方程”预言了光子与物质作用形成的准粒子—极化激元，并在1965年由国外科学家在GaP晶体中首次观察到。经过多年的研究与不断深入的发现，极化激元已经被认为是纳米尺度光操控的最优路径之一。运用极化激元有效压缩光波，从而与纳米至原子尺度的电子器件进行融合，创制全新的高速集成光电子器件实现纳米至原子尺度上光信息的传输和处理，有望为电子集成电路与硅基光电子集成电路后的第三次技术革命提供新的原理和机遇。负折射是将光弯向“错误”方向的一种反直觉的物理现象，最早由俄国物理学家Veselago提出，即当光波跨过界面时，光波的折射与常规折射相反，折射波和入射波位于界面法线同一侧。上世纪末，英国物理学家J.Pendry利用超材料首次在实验上实现了负折射现象。近几十年来，科学家利用超材料中的负折射效应在亚波长成像和隐身等方面取得了重要进展。在谈及负折射领域的未来发展时，J.Pendry爵士在2004年的综述文章中明确指出认为利用极化激元实现亚纳米尺度的负折射是这一领域未来的发展趋势，也是其走向应用的关键一步。（“Ultimately the concepts will integrate with the substantial effort being invested in plasmonic phenomena at optical frequencies where the aim is to produce devices structured on a sub-wavelength scale”, Pendry J B. Contemporary Physics, 2004, 45: 191）。
2月10日，国家纳米科学中心戴庆研究员团队与西班牙光子科学研究所Javier García de Abajo教授合作，发现了基于石墨烯/氧化钼异质结的面内负折射。（值得一提的是，哥伦比亚大学Dimitri Basov研究团队，同时独立地发现基于氮化硼/氧化钼异质结的面外负折射效应）该发现开辟了传统结构光学路径以外的新方案，实现了高效的纳米尺度光场聚焦和电可调的正负折射转换功能，为纳米尺度光操控提供新方法，有望应用于光电融合集成器件等诸多领域。该研究成果以“Gate-tunable negative refraction of mid-infrared polaritons”为题，发表在Science。国家纳米科学中心戴庆研究员，西班牙光子科学研究所Javier García de Abajo教授为该文章的共同通讯作者，中心胡海副研究员为共同一作和共同通讯作者之一，博士研究生陈娜和滕汉超是共同一作。上述研究工作获得了国家重点研发计划纳米科技重点专项、国家自然科学基金等项目的支持。
对称性（symmetry）是现代物理学中的一个核心概念。对称性的破缺往往会造成新的物理现象产生。在光学领域，光学拓扑态的转变是通过引入对称性破缺造成光子态密度重新分布的一种拓扑现象。在前期的研究工作中，戴庆课题组与合作者突破了传统静电掺杂和液体化学掺杂技术难以兼顾载流子迁移率和浓度的瓶颈，通过化学掺杂的方法改变石墨烯的费米能，原位调控石墨烯/α相氧化钼中杂化极化激元波矢空间等频线从双曲到椭圆的拓扑转变（Nat. Nanotechnol. 17, 940–946 (2022)）。（拓展阅读：《Nature Nanotechnology | 纳米尺度“操控”光传输》）由于不同光学拓扑态展现材料的光学物性不同，其外在的光学响应（玻印亭矢量与波矢）也会出现极大的差别。在此基础上，国家纳米科学中心戴庆研究团队巧妙利用不同拓扑态极化激元玻印亭矢量方向的差异，通过构造两类不同拓扑态的极化激元形成的面内异质结，成功实现了极化激元面内负折射聚焦，如图1所示。 ![]()
图1：（A）近场光学实验观测半覆盖石墨烯的α-MoO₃异质结中极化激元负折射平面聚焦示意图。（B，C）α-MoO₃和石墨烯/α-MoO₃异质结杂化极化激元电场模拟仿真图
在上述理论基础上，戴庆课题组利用近场光学显微镜，通过金属天线作为激发源，成功在实验上实现了面内负折射现象，揭示了极化激元面内负折射的主要特征（如图2所示）。当双曲极化激元在α-MoO₃侧发射并向石墨烯覆盖的α-MoO₃区域传播时，极化激元由于两侧群速度沿y方向投影相反，会在界面处发生与正常折射相反的光线偏折现象，即负折射现象。研究团队在实验上观察到天线激发的极化激元的凹面波前在传输过程中急剧收缩，形成一个焦斑（由红色箭头所示），之后由于衍射效应，汇聚的极化激元波前再次发散（如图2A，C所示）。研究团队将发射天线放置在石墨烯/α-MoO₃侧（图2B，D），依旧可以清晰得看到极化激元的负折射现象，这证明了面内极化激元负折射现象的可逆传播。除此之外，负折射聚焦形成的焦斑尺寸突破了传统光学的瑞利衍射极限，为自然光波长的1/60，形成了极强的光场压缩，与此同时，焦点处能量实现了10倍以上的聚焦增强。图2：（A，C）实验(A)和模拟(C)的近场图像说明了α-MoO₃到石墨烯/α-MoO₃异质结构的负折射现象，天线现在放置在α-MoO₃侧。（B，D）从石墨烯/α-MoO₃异质结构到α-MoO₃的可逆负折射，天线现在放置在石墨烯/α-MoO₃侧
当界面两侧极化激元处于同一光学拓扑态时，极化激元体系整体是光学平庸的，此时极化激元在边界的折射属于正常折射。当界面两侧光学拓扑态不同时，便会发生奇异的负折射效应。通过静电栅压改变石墨烯费米能，研究团队可以实现界面正-负折射的主动调控和动态切换。戴庆课题组通过构造涂覆Si背栅的SiO₂介电层向石墨烯施加垂直电场（图3A），成功调控了石墨烯的费米能。这种栅极可调谐器件提供了在原位主动控制极化激元波前，并在纳米尺度上改变聚焦位置和相应光场的能力。在实验（图3B）和仿真（图3C）中，随着栅极电压从+150逐渐变为−150 V，可以清晰得看到石墨烯/α-MoO₃一侧的波前逐渐变小，渠化，最后发生负折射，形成纳米尺度的聚焦。图3：（A） 栅极可调谐器件的设计示意图。（B） 实验测量的从正折射到负折射转变的近场图像，栅极电压从+150 V到-150 V变化。垂直黑色虚线表示石墨烯边缘定义的界面。（C） 数值模拟了与施加的栅极电压相对应的石墨烯的不同费米能量从EF＝0到0.66eV的负折射
上述研究证明了通过构造半覆盖的石墨烯/α相氧化钼异质结可以实现极化激元由正折射到负折射的有效调控。考虑到二维材料种类多样性以及支持极化激元的频段差异性，可以预计在其他vdW异质结构中（例如α-V₂O₅、黑磷）也可以实现面内负折射。极化激元强的场局域，以及灵活可调的波前传输和负折射聚焦能力，为片上光学以及纳米光子学的调控研究开辟了令人兴奋的途径。 论文信息
Hu H, Chen N, Teng H, Yu R, Xue M, Chen K, Xiao Y, Qu Y, Hu D, Chen J, Sun Z, Li P, de Abajo FJG, Dai Q. Gate-tunable negative refraction of mid-infrared polaritons. Science379, 558-561(2023).
https://www.science.org/doi/10.1126/science.adf1251
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