国家纳米中心戴庆团队Science：栅极可调负折射取得重大突破

一、导读

负折射在光学、电学、声学和磁学领域得到了广泛的研究，在亚波成像和隐身等领域很有前景。过去的二十年里，这一领域取得了长足的进展，负折射已被金属金属酯、介电光子晶体和双曲超材料证明，这些材料由亚波长单元单元的周期性阵列组成。这些结构中使用的超材料限制了它们强烈穿透细光的能力。作为一种替代方法，金属等离子体元在紫外、可见光和近紫外区域也表现出负折射。但这种方法受到可见和更高频率的欧姆损失以及红外范围内较差的空间限制的限制。因此，中红外和太赫兹域的深亚波长负折射仍然是一个挑战。范德华(vdW)材料的出现引入了一种新的自由度，通过利用偏振子模式的强光学限制，可在宽光谱范围内控制纳米级的光。最近的理论研究提出了使用vdW极化元来实现深亚波长中红外负折射，例如在石墨烯周期性阵列中，或使用平面石墨烯和六方氮化硼(h-BN)异质结构。然而，这些结构中偏振子的极端空间限制阻碍了其色散;这种结构固有的反射和散射损失也使理论概念的实现复杂化。

二、成果掠影

近日，中国科学院国家纳米科学中心纳米光子室戴庆，胡海研究员联合巴塞罗那科学技术学院的F. Javier García de Abajo教授在范德华异质结构中使用混合拓扑极化激元演示了中红外频率的栅极可调谐负折射。具体地说，该工作在石墨烯装饰的α-MoO3薄膜中看到了广角负折射极化激元。实验证明；原子厚度异质结构削弱了界面上的散射损失，同时通过栅极实现正向折射到负折射的主动可调过渡。本工作提出了栅极负折射作为一个有前景的红外应用平台，如电可调超分辨率成像，纳米级热操纵，增强分子传感和片上光学电路。相关成果以“Gate-tunable negative refraction of mid-infrared polaritons”为题发表在国际顶刊Science期刊上。

三、核心创新点

(1)首次利用范德华异质结构中的混合拓扑极化激元，演示了中红外频率时的栅极可调谐负折射;

(2) 实现了从垂直折射到负折射的自动可调转变;

四、数据概览

图1极化激元的负反射；A.装置示意图；B. 双曲(a-MoO₃)和椭圆(石墨烯/α-MoO₃)介质中极化激元的IFCs(等频率轮廓);  © 2023 AAAS

图2 纳米负折射的直接观察；(A和C)实验(A)和模拟(C)近场图像，说明从α - MoO₃中的双曲波到石墨烯/ α - MoO₃异质结构中的椭圆波的负折射; (B和D)天线放置在石墨烯/α-MoO₃一侧时，实现从椭圆波到双曲波的负折射。(E)沿x(左)和y(右)方向的近场剖面; (F)在880 ~ 940 cm⁻¹范围内(灰色阴影区)，石墨烯/α- MoO₃中入射(入射)角ϕ2与α- MoO₃中入射(折射)角ϕ1的关系;  © 2023 AAAS

图3 栅级可调负折射；(A) 栅级可调器件示意图。(B)由α- MoO₃薄膜、双层石墨烯和SiO₂衬底组成的器件光学图像(从上到下)。圆孔直径为400nm。(C)实验测量的栅级电压从+150到−150 V，从正折射到负折射转变的近场图像；(D)数值模拟了不同费米能量下石墨烯的负折射，EF = 0 ~ 0.66 eV，对应于外加栅极电压。(E)不同栅极电压下焦点的强度增强(左)和半峰全宽(右)。 © 2023 AAAS

五、成果启示

该工作首次证明在二维范德华异质材料(石墨烯/α- MoO₃)界面上可发生极化激元的栅级可调负折射。为光学和热学的应用提供新机会，例如红外超分辨率成像、纳米级热调控和增强灵敏度的化学传感器件等。

论文详情：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adf1251

本文由虚谷纳物供稿。