國家納米中心戴慶團隊Science：柵極可調負折射取得重大突破

一、導讀

負折射在光學、電學、聲學和磁學領域得到了廣泛的研究，在亞波成像和隱身等領域很有前景。過去的二十年里，這一領域取得了長足的進展，負折射已被金屬金屬酯、介電光子晶體和雙曲超材料證明，這些材料由亞波長單元單元的周期性陣列組成。這些結構中使用的超材料限制了它們強烈穿透細光的能力。作為一種替代方法，金屬等離子體元在紫外、可見光和近紫外區域也表現出負折射。但這種方法受到可見和更高頻率的歐姆損失以及紅外范圍內較差的空間限制的限制。因此，中紅外和太赫茲域的深亞波長負折射仍然是一個挑戰。范德華(vdW)材料的出現引入了一種新的自由度，通過利用偏振子模式的強光學限制，可在寬光譜范圍內控制納米級的光。最近的理論研究提出了使用vdW極化元來實現深亞波長中紅外負折射，例如在石墨烯周期性陣列中，或使用平面石墨烯和六方氮化硼(h-BN)異質結構。然而，這些結構中偏振子的極端空間限制阻礙了其色散;這種結構固有的反射和散射損失也使理論概念的實現復雜化。

二、成果掠影

近日，中國科學院國家納米科學中心納米光子室戴慶，胡海研究員聯合巴塞羅那科學技術學院的F. Javier García de Abajo教授在范德華異質結構中使用混合拓撲極化激元演示了中紅外頻率的柵極可調諧負折射。具體地說，該工作在石墨烯裝飾的α-MoO3薄膜中看到了廣角負折射極化激元。實驗證明；原子厚度異質結構削弱了界面上的散射損失，同時通過柵極實現正向折射到負折射的主動可調過渡。本工作提出了柵極負折射作為一個有前景的紅外應用平臺，如電可調超分辨率成像，納米級熱操縱，增強分子傳感和片上光學電路。相關成果以“Gate-tunable negative refraction of mid-infrared polaritons”為題發表在國際頂刊Science期刊上。

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三、核心創新點

(1)首次利用范德華異質結構中的混合拓撲極化激元，演示了中紅外頻率時的柵極可調諧負折射;

(2)?實現了從垂直折射到負折射的自動可調轉變;

四、數據概覽

圖1極化激元的負反射；A.裝置示意圖；B.?雙曲(a-MoO₃)和橢圓(石墨烯/α-MoO₃)介質中極化激元的IFCs(等頻率輪廓);??? 2023 AAAS

圖2?納米負折射的直接觀察；(A和C)實驗(A)和模擬(C)近場圖像，說明從α - MoO₃中的雙曲波到石墨烯/ α - MoO₃異質結構中的橢圓波的負折射; (B和D)天線放置在石墨烯/α-MoO₃一側時，實現從橢圓波到雙曲波的負折射。(E)沿x(左)和y(右)方向的近場剖面; (F)在880 ~ 940 cm^?1范圍內(灰色陰影區)，石墨烯/α- MoO₃中入射(入射)角?2與α- MoO₃中入射(折射)角?1的關系;??? 2023 AAAS

圖3?柵級可調負折射；(A)?柵級可調器件示意圖。(B)由α-?MoO₃薄膜、雙層石墨烯和SiO₂襯底組成的器件光學圖像(從上到下)。圓孔直徑為400nm。(C)實驗測量的柵級電壓從+150到?150 V，從正折射到負折射轉變的近場圖像；(D)數值模擬了不同費米能量下石墨烯的負折射，EF = 0 ~ 0.66 eV，對應于外加柵極電壓。(E)不同柵極電壓下焦點的強度增強(左)和半峰全寬(右)。?? 2023 AAAS

五、成果啟示

該工作首次證明在二維范德華異質材料(石墨烯/α-?MoO₃)界面上可發生極化激元的柵級可調負折射。為光學和熱學的應用提供新機會，例如紅外超分辨率成像、納米級熱調控和增強靈敏度的化學傳感器件等。

論文詳情：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adf1251

本文由虛谷納物供稿。