北理工團隊在紅外納米光場傳播調控方面取得重要進展
發布日期：2025-03-13 供稿：物理學院 攝影：物理學院
編輯：王莉蓉 審核：陳珂 閱讀次數：
光子可以像電子一樣作為信息載體來生成、處理、傳輸信息。與電子相比，光子作為信息載體具有速度快、帶寬高、容量大的優勢。光子芯片有望解決電子芯片解決不了的功耗、訪存能力和計算機整體性能等難題，被認為是下一代通信技術(光通信)的基礎設施。雖然光子芯片的研究已經取得了非常多的重要進展，但下一代納米光電芯片的開發、集成和應用一直存在兩個關鍵問題：1.光場衍射限制了光電器件的小型化和集成化(光場局域問題)；2.光子的玻色子屬性導致光與物質相互作用較弱，與電子相比光子更難操控(光場操控問題)。
納米光子學中利用極化激元（光子與其它粒子耦合產生的特殊電磁模式）實現光學通路及其片上集成是光子芯片研究的前沿方向。極化激元的高光場局域特性有望解決光場局域問題，其半光-半物質屬性也為解決光場操控問題提供了有力手段。此前，北京理工大學物理學院姚裕貴教授團隊成員段嘉華教授與西班牙奧維耶多大學Pablo Alonso Gonzalez教授合作，在三層轉角氧化鉬材料中發現了多重“光學魔角”，極化激元所有波矢分量對應的波印廷矢量均指向同一方向，即光場能量沿著特定方向低損耗且非衍射傳播，是紅外光的天然納米波導。相關工作發表于Nature Materials [22, 867 (2023)],并入選2023年中國光學十大影響力事件。然而，多層轉角結構制備過程較為復雜，精確控制轉角和二維材料厚度需要進行多次材料制備和樣品對準過程，不利于非衍射極化激元的實際應用。
鑒于此，北京理工大學物理學院姚裕貴教授團隊成員段嘉華教授與西班牙奧維耶多大學Pablo Alonso Gonzalez教授再次合作，在Science Advances在線發表“Canalization-based super-resolution imaging using an individual van der Waals thin layer”的研究成果。研究者通過精確調控極化激元材料的介電環境，在單個氧化鉬薄層中實現了極化激元的非衍射傳播，從而避免了轉角結構所需的復雜樣品制備過程。在此基礎上，他們提出了基于極化激元非衍射傳播的超分辨光學成像方案，成像分辨率為入射光波長的220分之一。
圖1
圖1展示了不同介電環境對單個氧化鉬薄層中極化激元傳播行為的調制作用。圖A的示意圖展示了當氧化鉬材料襯底由二氧化硅變為碳化硅時，極化激元由傳統的雙曲傳播變為高度定向傳播（非衍射傳播）。圖B中給出了在單個氧化鉬薄層中實現極化激元非衍射傳播的理想襯底介電常數（紅色實線），其中二氧化硅（黑色實線）和金（橙色實線）襯底介電常數與理想介電常數相差較大，而碳化硅襯底（綠色實線）介電常數與理想介電常數較為接近。圖C和圖D分別給出了碳化硅和二氧化硅襯底上極化激元色散行為的解析解。圖E-H給出了碳化硅襯底上極化激元在不同入射光波數時傳播行為的數值模擬結果，表明了在很寬的頻率范圍內極化激元都表現出非衍射傳播。圖I-L給出了二氧化硅襯底上極化激元在不同波數時傳播行為的數值模擬結果，極化激元表現出常見的雙曲傳播行為。
圖2
圖2展示了碳化硅襯底上氧化鉬材料中極化激元的近場光學圖像。研究人員基于納米級空間分辨率的紅外近場光學成像技術對極化激元傳播行為進行實空間成像。圖A給出了紅外納米成像的示意圖，通過金屬納米天線激發氧化鉬中的極化激元，針尖逐點掃描將近場信號散射到遠場探測器，最后獲得實空間圖像。圖B-D分別是不同入射光波數下極化激元的實空間成像，極化激元沿著水平方向高度定向傳播，即非衍射傳播。圖E-G為相應的數值模擬結果，與實驗結果符合良好。圖H中展示了極化激元傳播的波形圖，可以提取出極化激元非衍射傳播的波長。圖I給出了非衍射傳播極化激元的光學色散和傳播壽命。
圖3
圖3展示了基于極化激元非衍射傳播的超分辨成像方案。圖A表明，極化激元的非衍射傳播可以在氧化鉬上表面復現氧化鉬下表面金屬納米天線的局域電磁場分布。圖B-D給出了七個不同間隔金納米天線的近場光學成像和數值模擬結果，由于極化激元非衍射傳播，可以在入射光波長為11微米的條件下分辨間隔僅為50nm的兩個金納米圓盤（6和7）。圖E中研究人員將氧化鉬材料旋轉，可以上表面的不同位置處重現金納米天線的電磁場分布，在光信息傳輸、光電探測、分子檢測等多個領域具有應用潛力。圖F-H為相應的近場光學成像和數值模擬結果。圖I-K表明可以通過旋轉氧化鉬材料在很大的空間范圍內實現金納米天線電磁場分布的重現。
文獻鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.ads0569
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