納米尺度的光電融合是未來高性能信息器件的重要發(fā)展路線。如何在納米尺度對(duì)光進(jìn)行精準(zhǔn)操控是其中最關(guān)鍵的科學(xué)問題。

極化激元是實(shí)現(xiàn)納米尺度光操控的新思路。2月10日，《科學(xué)》報(bào)道了一項(xiàng)極化激元領(lǐng)域的重要進(jìn)展。經(jīng)過十多年的不懈努力，國(guó)家納米科學(xué)中心戴慶研究團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了極化激元的高效激發(fā)和長(zhǎng)程傳輸。在此基礎(chǔ)上，他們成功創(chuàng)制“光晶體管”，實(shí)現(xiàn)納米尺度光正負(fù)折射調(diào)控，顯著提升了納米尺度光操控能力。

圖示極化激元晶體管的基本原理，通過在氧化鉬上覆蓋石墨烯構(gòu)筑范德華異質(zhì)結(jié)，天線激發(fā)極化激傳輸穿過界面后形成負(fù)折射。

【資料圖】

光電融合是未來方向

與電子相比，光子具有速度快、能耗低、容量高等諸多優(yōu)勢(shì)，被寄予未來大幅提升信息處理能力的厚望。因此，光電融合系統(tǒng)被認(rèn)為是構(gòu)建下一代高效率、高集成度、低能耗信息器件的重要方向。

“光電融合能夠發(fā)揮光傳輸、電計(jì)算的優(yōu)勢(shì)，成為后摩爾時(shí)代的重要技術(shù)路線。”戴慶解釋，然而，由于光子不攜帶電荷且光的傳輸受限于光學(xué)衍射極限，相比于能輕易通過電學(xué)調(diào)控的電子，對(duì)光子的納米尺度調(diào)控并不容易。

極化激元是一種由入射光與材料表界面相互作用形成的特殊電磁模式，也可以認(rèn)為是一種光子與物質(zhì)耦合形成的準(zhǔn)粒子。它具有優(yōu)異的光場(chǎng)壓縮能力，可以輕易突破光學(xué)衍射極限，從而實(shí)現(xiàn)納米尺度上光信息的傳輸和處理。

戴慶研究團(tuán)隊(duì)率先提出了利用極化激元作為光電互聯(lián)媒介的新思路，充分發(fā)揮它對(duì)光的高壓縮和易調(diào)控優(yōu)勢(shì)，不僅有望實(shí)現(xiàn)高效光電互聯(lián)，還可以提供額外的信息處理能力，從而進(jìn)一步提升光電融合系統(tǒng)的性能。

在近期的研究中，戴慶研究團(tuán)隊(duì)成功給低對(duì)稱極化激元拍了個(gè)照，實(shí)現(xiàn)了低對(duì)稱聲子極化激元的實(shí)空間成像，證實(shí)了近場(chǎng)“軸色散”效應(yīng)，揭示了一種新的在納米尺度實(shí)現(xiàn)光子操控的可行路徑。

同時(shí)，他們還大幅提高了納米尺度的光子精確操控水平，成功將10微米波長(zhǎng)的紅外光壓縮成幾十納米波長(zhǎng)的極化激元，并調(diào)控性能實(shí)現(xiàn)平面內(nèi)的能量聚焦和定向傳播。

對(duì)此，戴慶解釋道：“光電互聯(lián)是光電融合的重要基礎(chǔ)，它相當(dāng)于光電兩條高速公路交匯的收費(fèi)站，而構(gòu)筑極化激元光電互聯(lián)相當(dāng)于將原來的收費(fèi)站改造成立交橋，從而能夠大幅增加傳輸通道和提升信息處理的速度。”

證實(shí)一項(xiàng)非常規(guī)物理現(xiàn)象

在前期研究的基礎(chǔ)上，研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)并構(gòu)筑了微納尺度的石墨烯/氧化鉬范德華異質(zhì)結(jié)，實(shí)現(xiàn)了用一種極化激元調(diào)控另一種極化激元開關(guān)的“光晶體管”功能。

在戴慶看來，這項(xiàng)研究充分發(fā)揮了不同材料的納米光子學(xué)特性，突破了傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)光學(xué)方案如使用超材料和光子晶體等，在波段、損耗、壓縮和調(diào)控等多個(gè)方面的性能瓶頸。

“相比人工結(jié)構(gòu)，聚焦于材料自身的光子學(xué)特性是另一種更加直接獲取光學(xué)功能的途徑。”研究團(tuán)隊(duì)成員、國(guó)家納米科學(xué)中心副研究員胡海打了個(gè)比方，“就像《舌尖上的中國(guó)》所說，高端的食材往往只需要最樸素的烹飪方式。利用簡(jiǎn)便的范德華材料堆疊，便可以實(shí)現(xiàn)奇異的光學(xué)調(diào)控功能，比如我們展示的負(fù)折射效應(yīng)。”

所謂負(fù)折射，是指入射光與折射光在界面法線同側(cè)的特殊物理現(xiàn)象。“簡(jiǎn)單來說，光沿‘錯(cuò)誤’方向偏折了。”胡海解釋說，“舉個(gè)例子，負(fù)折射就像我們?cè)阽R中觀察世界，與真實(shí)世界相比，一切都是顛倒的。”

“我們利用電學(xué)柵壓對(duì)極化激元這種光波的折射行為實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)調(diào)控，使其從常規(guī)的正折射轉(zhuǎn)變到奇異的負(fù)折射。這就好比可以像操縱電子一樣操縱光子，這為將來高性能光電融合器件與系統(tǒng)的發(fā)展提供重要促進(jìn)作用。”戴慶表示，在應(yīng)用上，這項(xiàng)研究面向光電融合器件走向大規(guī)模集成缺乏高效、緊湊光電互聯(lián)方式的重大需求，在科學(xué)上，研究為解決突破衍射極限下高效光電調(diào)制的難題提供新思路。

“這是一項(xiàng)非常有趣的研究。”該論文審稿人評(píng)價(jià)說，“這證實(shí)了一項(xiàng)非常規(guī)的物理現(xiàn)象，為研究納米尺度的光操控提供了嶄新的平臺(tái)。”

(圖片由受訪者提供)

關(guān)鍵詞： 極化激元 衍射極限 物理現(xiàn)象 科學(xué)中心 充分發(fā)揮