在范德瓦尔斯异质结构中证明极化子的门可调纳米级负折射

中国科学院(CAS)国家纳米科学中心(NCNST)戴青团队和西班牙光子科学研究所(ICFO)JavierAbajo领导的一项新研究表明，栅极可调纳米级负通过石墨烯和三氧化钼的范德瓦尔斯异质结构，极化子在中红外范围内的折射。

原子级厚的异质结构削弱了界面处的散射损失，同时通过电门控实现了正常折射到负折射的主动可调转变。

这项工作发表在《科学》杂志上。

纳米级光电子融合是未来高性能信息器件的重要发展方向。光电器件的集成度由光电互连方式决定，影响其速度和功耗，是提高器件性能的关键。

然而，光子不携带电荷，光的传输受到光学衍射极限的限制，因此与电子相比，很难在纳米尺度上操纵和控制光子，而电子可以很容易地通过电子手段进行调节。

1951年，中国固体物理学家黄坤院士通过著名的“黄氏方程”预言了光子与物质相互作用形成的极化子准粒子。经过多年的研究和不断的深入发现，已证明极化激元能够轻松突破光学衍射极限，将光的波长压缩到纳米级，而且极化激元的场分布与介电环境密切相关。

来自NCNST的团队建议使用极化激元作为光电互连的介质，以利用其高压缩和易于调制的光。预计极化激元不仅可以实现有效的光电互连，还可以提供新的信息处理能力，从而显着提高光电聚变设备的性能。

在最近的工作中，戴的团队及其合作者发现了极化激子在低对称晶体中的“轴向色散”效应，解决了石墨烯中等离激元的长程输运问题，并提出了异质结调控极化激元的新机制。

基于此，研究人员设计并制作了纳米级石墨烯/三氧化钼范德瓦尔斯异质结构。

他们解释说，范德瓦尔斯异质结构充分利用了各种材料的纳米光子特性，其中原子层厚度为高度压缩的光学模式提供了基础，晶格结构特性支持各向同性(圆形)和各向异性(双曲线)传输模式，vanderWaals堆叠满足了模式杂化的近场匹配，线性能带结构为模式杂化提供了平台。

此外，研究人员在深亚衍射极限下实现了动态可调的正负折射跃迁，克服了传统结构光学解决方案(如使用超材料和光子晶体)在波段、损耗、压缩和调制方面的性能瓶颈。

“这种动态可调的正负折射转换现象可以理解为一种‘极化子晶体管’功能，它使用一种极化子来调节另一种极化子的切换，从而允许构建带门和不带门的光逻辑单元和预计将应用于许多领域，例如光电聚变，”该论文的通讯作者之一戴说。