撰稿：滕漢超、陳娜（國(guó)家納米科學(xué)中心）
審閱：胡海 (國(guó)家納米科學(xué)中心)
本文由論文作者團(tuán)隊(duì)（課題組）投稿
封面圖：通過(guò)在氧化鉬上覆蓋石墨烯構(gòu)筑的范德華異質(zhì)結(jié)以及天線激發(fā)極化激元傳輸形成負(fù)折射的示意圖
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(lái)大幅提升信息處理能力的厚望。因此光電融合被認(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。然而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(guò)電學(xué)調(diào)控的電子，對(duì)光子的納米尺度局域和操控并不容易。
我國(guó)固體物理學(xué)家
黃昆
院士在1951年通過(guò)著名的“
黃方程
”預(yù)言了光子與物質(zhì)作用形成的準(zhǔn)粒子—
極化激元
，并在1965年由國(guó)外科學(xué)家在GaP晶體中首次觀察到。
經(jīng)過(guò)多年的研究與不斷深入的發(fā)現(xiàn)，極化激元已經(jīng)被認(rèn)為是納米尺度光操控的最優(yōu)路徑之一。運(yùn)用極化激元有效壓縮光波，從而與納米至原子尺度的電子器件進(jìn)行融合，創(chuàng)制全新的高速集成光電子器件實(shí)現(xiàn)納米至原子尺度上光信息的傳輸和處理，有望為電子集成電路與硅基光電子集成電路后的第三次技術(shù)革命提供新的原理和機(jī)遇。
負(fù)折射
是將光彎向“錯(cuò)誤”方向的一種反直覺的物理現(xiàn)象，最早由俄國(guó)物理學(xué)家Veselago提出，即當(dāng)光波跨過(guò)界面時(shí)，光波的折射與常規(guī)折射相反，折射波和入射波位于界面法線同一側(cè)。上世紀(jì)末，英國(guó)物理學(xué)家J.Pendry利用超材料首次在實(shí)驗(yàn)上實(shí)現(xiàn)了負(fù)折射現(xiàn)象。近幾十年來(lái)，科學(xué)家利用超材料中的負(fù)折射效應(yīng)在亞波長(zhǎng)成像和隱身等方面取得了重要進(jìn)展。
在談及負(fù)折射領(lǐng)域的未來(lái)發(fā)展時(shí)，J.Pendry爵士在2004年的綜述文章中明確指出認(rèn)為利用極化激元實(shí)現(xiàn)亞納米尺度的負(fù)折射是這一領(lǐng)域未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)，也是其走向應(yīng)用的關(guān)鍵一步。（“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，國(guó)家納米科學(xué)中心
戴慶
研究員團(tuán)隊(duì)與西班牙光子科學(xué)研究所
Javier García de Abajo
教授合作，發(fā)現(xiàn)了基于石墨烯/氧化鉬異質(zhì)結(jié)的面內(nèi)負(fù)折射。（值得一提的是，哥倫比亞大學(xué)
Dimitri Basov
研究團(tuán)隊(duì)，同時(shí)獨(dú)立地發(fā)現(xiàn)基于氮化硼/氧化鉬異質(zhì)結(jié)的面外負(fù)折射效應(yīng)）該發(fā)現(xiàn)開辟了傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)光學(xué)路徑以外的新方案，實(shí)現(xiàn)了高效的納米尺度光場(chǎng)聚焦和電可調(diào)的正負(fù)折射轉(zhuǎn)換功能，為納米尺度光操控提供新方法，有望應(yīng)用于光電融合集成器件等諸多領(lǐng)域。
該研究成果以“Gate-tunable negative refraction of mid-infrared polaritons”為題，發(fā)表在
Science
。國(guó)家納米科學(xué)中心戴慶研究員，西班牙光子科學(xué)研究所Javier García de Abajo教授為該文章的共同通訊作者，中心胡海副研究員為共同一作和共同通訊作者之一，博士研究生陳娜和滕漢超是共同一作。上述研究工作獲得了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃納米科技重點(diǎn)專項(xiàng)、國(guó)家自然科學(xué)基金等項(xiàng)目的支持。
基于光學(xué)拓?fù)鋺B(tài)實(shí)現(xiàn)極化激元負(fù)折射
對(duì)稱性
（symmetry）是現(xiàn)代物理學(xué)中的一個(gè)核心概念。對(duì)稱性的破缺往往會(huì)造成新的物理現(xiàn)象產(chǎn)生。在光學(xué)領(lǐng)域，光學(xué)拓?fù)鋺B(tài)的轉(zhuǎn)變是通過(guò)引入對(duì)稱性破缺造成光子態(tài)密度重新分布的一種拓?fù)洮F(xiàn)象。
在前期的研究工作中，戴慶課題組與合作者突破了傳統(tǒng)靜電摻雜和液體化學(xué)摻雜技術(shù)難以兼顧載流子遷移率和濃度的瓶頸，通過(guò)化學(xué)摻雜的方法改變石墨烯的費(fèi)米能，原位調(diào)控石墨烯/α相氧化鉬中雜化極化激元波矢空間等頻線從雙曲到橢圓的拓?fù)滢D(zhuǎn)變（Nat. Nanotechnol. 17, 940–946 (2022)）。（拓展閱讀：
《Nature Nanotechnology | 納米尺度“操控”光傳輸》
）
由于不同光學(xué)拓?fù)鋺B(tài)展現(xiàn)材料的光學(xué)物性不同，其外在的光學(xué)響應(yīng)（玻印亭矢量與波矢）也會(huì)出現(xiàn)極大的差別。在此基礎(chǔ)上，國(guó)家納米科學(xué)中心戴慶研究團(tuán)隊(duì)巧妙利用不同拓?fù)鋺B(tài)極化激元玻印亭矢量方向的差異，通過(guò)構(gòu)造兩類不同拓?fù)鋺B(tài)的極化激元形成的面內(nèi)異質(zhì)結(jié)，成功實(shí)現(xiàn)了極化激元面內(nèi)負(fù)折射聚焦，如圖1所示。
圖1：（A）近場(chǎng)光學(xué)實(shí)驗(yàn)觀測(cè)半覆蓋石墨烯的α-MoO?異質(zhì)結(jié)中極化激元負(fù)折射平面聚焦示意圖。（B，C）α-MoO?和石墨烯/α-MoO?異質(zhì)結(jié)雜化極化激元電場(chǎng)模擬仿真圖
實(shí)驗(yàn)觀測(cè)極化激元可逆負(fù)折射聚焦
在上述理論基礎(chǔ)上，戴慶課題組利用近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡，通過(guò)金屬天線作為激發(fā)源，成功在實(shí)驗(yàn)上實(shí)現(xiàn)了面內(nèi)負(fù)折射現(xiàn)象，揭示了極化激元面內(nèi)負(fù)折射的主要特征（如圖2所示）。當(dāng)雙曲極化激元在α-MoO?側(cè)發(fā)射并向石墨烯覆蓋的α-MoO?區(qū)域傳播時(shí)，極化激元由于兩側(cè)群速度沿y方向投影相反，會(huì)在界面處發(fā)生與正常折射相反的光線偏折現(xiàn)象，即負(fù)折射現(xiàn)象。
研究團(tuán)隊(duì)在實(shí)驗(yàn)上觀察到天線激發(fā)的極化激元的凹面波前在傳輸過(guò)程中急劇收縮，形成一個(gè)焦斑（由紅色箭頭所示），之后由于衍射效應(yīng)，匯聚的極化激元波前再次發(fā)散（如圖2A，C所示）。研究團(tuán)隊(duì)將發(fā)射天線放置在石墨烯/α-MoO?側(cè)（圖2B，D），依舊可以清晰得看到極化激元的
負(fù)折射現(xiàn)象，這證明了面內(nèi)極化激元負(fù)折射現(xiàn)象的可逆?zhèn)鞑ァ?/span>
除此之外，負(fù)折射聚焦形成的焦斑尺寸突破了傳統(tǒng)光學(xué)的瑞利衍射極限，為自然光波長(zhǎng)的1/60，形成了極強(qiáng)的光場(chǎng)壓縮，與此同時(shí)，焦點(diǎn)處能量實(shí)現(xiàn)了10倍以上的聚焦增強(qiáng)。
圖2：（A，C）實(shí)驗(yàn)(A)和模擬(C)的近場(chǎng)圖像說(shuō)明了α-MoO?到石墨烯/α-MoO?異質(zhì)結(jié)構(gòu)的負(fù)折射現(xiàn)象，天線現(xiàn)在放置在α-MoO?側(cè)。（B，D）從石墨烯/α-MoO?異質(zhì)結(jié)構(gòu)到α-MoO?的可逆負(fù)折射，天線現(xiàn)在放置在石墨烯/α-MoO?側(cè)
正-負(fù)折射轉(zhuǎn)變的動(dòng)態(tài)調(diào)控
當(dāng)界面兩側(cè)極化激元處于同一光學(xué)拓?fù)鋺B(tài)時(shí)，極化激元體系整體是光學(xué)平庸的，此時(shí)極化激元在邊界的折射屬于正常折射。當(dāng)界面兩側(cè)光學(xué)拓?fù)鋺B(tài)不同時(shí)，便會(huì)發(fā)生奇異的負(fù)折射效應(yīng)。
通過(guò)靜電柵壓改變石墨烯費(fèi)米能，研究團(tuán)隊(duì)可以實(shí)現(xiàn)界面正-負(fù)折射的主動(dòng)調(diào)控和動(dòng)態(tài)切換。
戴慶課題組通過(guò)構(gòu)造涂覆Si背柵的SiO?介電層向
石墨烯施加垂直電場(chǎng)（圖3A），成功調(diào)控了石墨烯的費(fèi)米能。這種柵極可調(diào)諧器件提供了在原位主動(dòng)控制極化激元波前，并在納米尺度上改變聚焦位置和相應(yīng)光場(chǎng)的能力。在實(shí)驗(yàn)（圖3B）和仿真（圖3C）中，隨著柵極電壓從+150逐漸變?yōu)?150 V，可以清
晰得看到石墨烯/α-MoO?
一側(cè)的波前逐漸變小，渠化，最后發(fā)生負(fù)折射，形成納米尺度的聚焦。
圖3：（A） 柵極可調(diào)諧器件的設(shè)計(jì)示意圖。（B） 實(shí)驗(yàn)測(cè)量的從正折射到負(fù)折射轉(zhuǎn)變的近場(chǎng)圖像，柵極電壓從+150 V到-150 V變化。垂直黑色虛線表示石墨烯邊緣定義的界面。（C） 數(shù)值模擬了與施加的柵極電壓相對(duì)應(yīng)的石墨烯的不同費(fèi)米能量從EF＝0到0.66eV的負(fù)折射
上述研究證明了通過(guò)構(gòu)造半覆蓋的石墨烯/α相氧化鉬異質(zhì)結(jié)可以實(shí)現(xiàn)極化激元由正折射到負(fù)折射的有效調(diào)控。
考慮到二維材料種類多樣性以及支持極化激元的頻段差異性，可以預(yù)計(jì)在其他vdW異質(zhì)結(jié)構(gòu)中（例如
α-V?O?
、黑磷）也可以實(shí)現(xiàn)面內(nèi)負(fù)折射。極化激元強(qiáng)的場(chǎng)局域，以及靈活可調(diào)的波前傳輸和負(fù)折射聚焦能力，為片上光學(xué)以及納米光子學(xué)的調(diào)控研究開辟了令人興奮的途徑。
論文信息
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
