作為光子與物質作用形成的準粒子，極化激元（polaritons）提供了一種獨特的方式來利用和操縱光，對光實體、光化學、光資訊等諸多研究領域意義重大。
金屬能夠通過其自由電子和光子的作用形成表面等離極化激元（Surface Plasmon Polaritons，簡稱 SPP），但 SPP 的壽命較低，應用上受到許多限制。相比 SPP，二維材料不僅能夠支援極化激元的傳播，而且該材料中的極化激元損耗更小，在內建和超薄納米光子器件方面應用前景廣闊。
不過，二維材料中的極化激元在應用時受制于色散的調控。研究人員可以通過石墨烯條帶和 hBN 條帶等結構化的二維材料，以及雙層扭轉的石墨烯條帶和 α-MoO3 對極化激元的色散進行有效的調控，以實作可定制的極化激元，這是走向按需控制極化激元的關鍵環節。
但是，目前現有的調控方法缺乏動态可調性，各向異性極化激元的主動調諧是科學家急需解決的重大問題。近日，廈門大學實體科學與技術學院陳煥陽教授團隊同 Qiaoliang Bao 教授團隊、中國地質大學戴志高教授團隊及新加坡國立大學仇成偉教授團隊合作，為這一問題帶來了應對之法。
據介紹，“他們在各向同性材料石墨烯和天然雙軸晶體 α-MoO3 的異質結構界面上實作了可調諧的雜化極化激元及其光學拓撲轉變，并且在實驗上驗證了擁有不同厚度 α-MoO3 的石墨烯 /α-MoO3 異質結構中存在雜化極化激元。”
相關論文以《用界面工程裁剪雙軸晶體中各向異性極化激元的拓撲相變》（Tailoring Topological Transitions of Anisotropic Polaritons by Interface Engineering in Biaxial Crystals）為題，以封面形式發表在Nano Letters上，Qiaoliang Bao 教授、陳煥陽教授和戴志高教授擔任通訊作者。
圖 |Nano Letters當期封面（來源：Nano Letters）
據了解，在中紅外波段，石墨烯能夠激發各向同性的 SPP，而 α-MoO3 在其剩餘射線帶能夠激發聲子極化激元 PhP(Phonon polaritons)。
此次，該團隊基于石墨烯 SPP 和 α-MoO3 中的 PhP 重疊的激發波長，通過不同的 α-MoO3 和石墨烯的界面工程來調控雜化極化激元的色散，獲得了定制化的各向異性極化激元及其可調諧的光學拓撲轉變。
光學拓撲轉變是指極化激元的面内等頻線（iso-frequency curve）從圓和橢圓等封閉曲線變成開放的曲線。對于各向同性材料來說，其面内等頻曲線是圓，極化激元在各個方向上擁有同樣的傳播波矢；而對于各向異性材料，介電常數同号時，其面内等頻曲線是橢圓，極化激元擁有與傳播方向有關的不同波矢；介電常數異号時，它的面内等頻曲線是雙曲線，極化激元不僅擁有與傳播方向有關的不同波矢，而且能支援無限大波矢的波向前傳播，這類材料可應用于負折射和超分辨成像等。
圖 | 石墨烯/α-MoO3 異質結構的實空間成像（來源：Nano Letters）
為驗證石墨烯 /α-MoO3 異質結構中的雜化極化激元，研究人員對其和 α-MoO3 的樣品進行了加工。他們發現，在 α-MoO3 中，由邊界激發的 PhP 隻能沿 100 方向，而沿 001 方向不能傳播，這是由其雙曲的色散特性決定的。而對于石墨烯/α-MoO3 異質結構中的雜化極化激元可以沿 α-MoO3 中 PhP 禁止方向進行傳播，并擁有各個方向的的各向異性波矢。
同時，該團隊得出，極化激元的波長與激發頻率有關，是以能夠通過改變激發頻率來對極化激元的波長和波矢進行調節。
圖 | 石墨烯/α-MoO3 異質結構中可調諧的雜化等離子體-聲子極化激元（來源：Nano Letters）
此外，該團隊表示，在其提出的異質結構中，石墨烯和 α-MoO3 之間的層間耦合能夠以費米能級作動态調節。随着石墨烯費米能級的增加，石墨烯 SPP 的波矢逐漸減小，在低k處石墨烯 SPP 對雜化激元的影響逐漸增大，使得雜化極化激元的色散曲線從雙曲變成橢圓，波前從開放到閉合。
接着，該團隊對石墨烯/α-MoO3 異質結構中 α-MoO3 的厚度進行了調節，嘗試以此來控制雜化極化激元的色散。結果表明，α-MoO3 激發的 PhP 會随着 α-MoO3 厚度的減小而對雜化極化激元的影響越來越小，這讓異質結構中雜化極化激元的各向異性程度也随之降低，色散曲線最終變為了橢圓。
圖 | 石墨烯/α-MoO3 異質結構中與厚度有關的雜化極化激元（來源：Nano Letters）
最後，該團隊對不同 α-MoO3 厚度的石墨烯/α-MoO3 異質結構中的雜化極化激元壽命進行了計算，并驚喜地發現，石墨烯/α-MoO3 異質結構中極化激元比 α-MoO3 中的 PhP 壽命長得多。
該團隊稱，“這項研究為基于低損耗極化激元的可調諧光子器件，光學信号處理及神經形态光子電路等奠定了基礎，并得到國家自然科學基金委、重點研發計劃、國家留學基金委及 111 引智項目的大力支援。”
-End-
參考：
1、Yali Zeng et al. Tailoring Topological Transitions of Anisotropic Polaritons by InterfaceEngineeringin Biaxial Crystals.Nano Letters（2022）https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.2c00399