圖1.展示了不同介電環(huán)境對(duì)單個(gè)氧化鉬薄層中極化激元傳播行為的調(diào)制作用

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(yōu)勢(shì)。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(jì)算機(jī)整體性能等難題，被認(rèn)為是下一代通信技術(shù)(光通信)的基礎(chǔ)設(shè)施。雖然光子芯片的研究已經(jīng)取得了非常多的重要進(jìn)展，但下一代納米光電芯片的開發(fā)、集成和應(yīng)用一直存在兩個(gè)關(guān)鍵問題：1.光場(chǎng)衍射限制了光電器件的小型化和集成化(光場(chǎng)局域問題);2.光子的玻色子屬性導(dǎo)致光與物質(zhì)相互作用較弱，與電子相比光子更難操控(光場(chǎng)操控問題)。

納米光子學(xué)中利用極化激元(光子與其它粒子耦合產(chǎn)生的特殊電磁模式)實(shí)現(xiàn)光學(xué)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(chǎng)局域特性有望解決光場(chǎng)局域問題，其半光-半物質(zhì)屬性也為解決光場(chǎng)操控問題提供了有力手段。此前，北京理工大學(xué)物理學(xué)院姚裕貴教授團(tuán)隊(duì)成員段嘉華教授與西班牙奧維耶多大學(xué)Pablo Alonso Gonzalez教授合作，在三層轉(zhuǎn)角氧化鉬材料中發(fā)現(xiàn)了多重“光學(xué)魔角”，極化激元所有波矢分量對(duì)應(yīng)的波印廷矢量均指向同一方向，即光場(chǎng)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(dǎo)。

相關(guān)工作發(fā)表于Nature Materials [22, 867 (2023)]，并入選2023年中國(guó)光學(xué)十大影響力事件。然而，多層轉(zhuǎn)角結(jié)構(gòu)制備過程較為復(fù)雜，精確控制轉(zhuǎn)角和二維材料厚度需要進(jìn)行多次材料制備和樣品對(duì)準(zhǔn)過程，不利于非衍射極化激元的實(shí)際應(yīng)用。鑒于此，北京理工大學(xué)物理學(xué)院姚裕貴教授團(tuán)隊(duì)成員段嘉華教授與西班牙奧維耶多大學(xué)Pablo Alonso Gonzalez教授再次合作，在Science Advances在線發(fā)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(diào)控極化激元材料的介電環(huán)境，在單個(gè)氧化鉬薄層中實(shí)現(xiàn)了極化激元的非衍射傳播，從而避免了轉(zhuǎn)角結(jié)構(gòu)所需的復(fù)雜樣品制備過程。在此基礎(chǔ)上，他們提出了基于極化激元非衍射傳播的超分辨光學(xué)成像方案，成像分辨率為入射光波長(zhǎng)的220分之一。

圖1A的示意圖展示了當(dāng)氧化鉬材料襯底由二氧化硅變?yōu)樘蓟钑r(shí)，極化激元由傳統(tǒng)的雙曲傳播變?yōu)楦叨榷ㄏ騻鞑?非衍射傳播)。圖1B中給出了在單個(gè)氧化鉬薄層中實(shí)現(xiàn)極化激元非衍射傳播的理想襯底介電常數(shù)(紅色實(shí)線)，其中二氧化硅(黑色實(shí)線)和金(橙色實(shí)線)襯底介電常數(shù)與理想介電常數(shù)相差較大，而碳化硅襯底(綠色實(shí)線)介電常數(shù)與理想介電常數(shù)較為接近。

圖1C和圖1D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(shù)時(shí)傳播行為的數(shù)值模擬結(jié)果，表明了在很寬的頻率范圍內(nèi)極化激元都表現(xiàn)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(shù)時(shí)傳播行為的數(shù)值模擬結(jié)果，極化激元表現(xiàn)出常見的雙曲傳播行為。

圖2.展示了碳化硅襯底上氧化鉬材料中極化激元的近場(chǎng)光學(xué)圖像

研究人員基于納米級(jí)空間分辨率的紅外近場(chǎng)光學(xué)成像技術(shù)對(duì)極化激元傳播行為進(jìn)行實(shí)空間成像。圖2A給出了紅外納米成像的示意圖，通過金屬納米天線激發(fā)氧化鉬中的極化激元，針尖逐點(diǎn)掃描將近場(chǎng)信號(hào)散射到遠(yuǎn)場(chǎng)探測(cè)器，最后獲得實(shí)空間圖像。圖2B-D分別是不同入射光波數(shù)下極化激元的實(shí)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2E-G為相應(yīng)的數(shù)值模擬結(jié)果，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合良好。圖2H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(zhǎng)。圖I給出了非衍射傳播極化激元的光學(xué)色散和傳播壽命。

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

3A表明，極化激元的非衍射傳播可以在氧化鉬上表面復(fù)現(xiàn)氧化鉬下表面金屬納米天線的局域電磁場(chǎng)分布。圖3B-D給出了七個(gè)不同間隔金納米天線的近場(chǎng)光學(xué)成像和數(shù)值模擬結(jié)果，由于極化激元非衍射傳播，可以在入射光波長(zhǎng)為11微米的條件下分辨間隔僅為50nm的兩個(gè)金納米圓盤(6和7)。圖3E中研究人員將氧化鉬材料旋轉(zhuǎn)，可以上表面的不同位置處重現(xiàn)金納米天線的電磁場(chǎng)分布，在光信息傳輸、光電探測(cè)、分子檢測(cè)等多個(gè)領(lǐng)域具有應(yīng)用潛力。圖3F-H為相應(yīng)的近場(chǎng)光學(xué)成像和數(shù)值模擬結(jié)果。圖3I-K表明可以通過旋轉(zhuǎn)氧化鉬材料在很大的空間范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)金納米天線電磁場(chǎng)分布的重現(xiàn)。

審核編輯 黃宇