Science：国家纳米科学中心戴庆课题组纳米尺度光学负折射研究，近场光学显微镜提供关键数据支撑

发布日期：2023-02-28

未来高性能的信息器件既要满足高速运行功能又要满足超大规模的集成度要求。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。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。极化激元是一种由入射光与材料表界面相互作用形成的特殊电磁模式，也可以认为是一种光子与物质耦合形成的准粒子，被证实可以轻易突破光学衍射极限，将光波长压缩到纳米尺度进行操控。

散射式扫描近场光学显微镜（s-SNOM）采用了全新的散射式核心技术，有效突破了光学分辨率的极限，并且不依赖于入射激光的波长，能够在可见、红外和太赫兹光谱范围内，提供优于10 nm空间分辨率的光谱和近场光学图像。通过针尖散射光与极化激元实现波矢匹配，从而有效激发极化激元。基于模块化的迈克尔逊干涉装置，赝外差干涉和高阶解调背景压缩技术，能够同步解析散射信号的光学幅度和光学相位，从而对极化激元空间传导分布进行精细成像，且结果有高度的可靠性和可重复性，被广泛应用到范德华等材料的极化激元研究中。

图1. Neaspec超高分辨散射式近场光学显微镜（左），近场光学实验观测半覆盖石墨烯的α-MoO₃异质结中极化激负折射平面聚焦示意图（右）。

近期，戴庆课题组利用德国neaspec公司的散射式近场光学显微镜，通过金属天线作为激发源，成功实现了面内负折射现象（如图1所示），揭示了极化激元面内负折射的主要特征。相关研究成果以“Gate-tunable negative refraction of mid-infrared polaritons”为题，发表在Science期刊。

从实验结果中得知，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，如图2A，C所示。将激发天线移动到石墨烯/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。

图2. （A，C）实验(A)和模拟的(C)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，天线位于α-MoO₃侧。（B，D）从石墨烯/α-MoO₃异质结构到α-MoO₃的可逆负折射，天线位于石墨烯/α-MoO₃侧。

研究团队进一步通过静电栅压改变石墨烯费米能（图3A），实现了界面正-负折射的主动调控和动态切换。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，从氧化钼传输到石墨烯/α-MoO₃一侧的波前逐渐从正折射转变成负折射，最终形成纳米尺度聚焦。

图3. （A） 栅极可调谐器件示意图。（B）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） 与实验（B）相对应的数值模拟。

该研究证明了二维范德华材料界面上的负折射现象，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。

参考文献:

[1]. Hai Hu, Na Chen, Hanchao Teng, Renwen Yu, Mengfei Xue, Ke Chen, Yuchuan Xiao, Yunpeng Qu, Debo Hu, Jianing Chen, Zhipei Sun, Peining Li, F. Javier García de Abajo, Qing Dai, Gate-tunable negative refraction of mid-infrared polaritons, 2023, Science. https://www.science.org/doi/10.1126/science.adf1251