研究背景
在微納光子學(xué)領(lǐng)域，納米尺度光場(chǎng)分布的精準(zhǔn)操控始終面臨關(guān)鍵技術(shù)挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)光學(xué)器件受限于光的衍射極限，難以實(shí)現(xiàn)百納米以下的高效光場(chǎng)操控。極化激元作為光與物質(zhì)耦合形成的準(zhǔn)粒子，可將光場(chǎng)壓縮至納米尺度，為突破這一極限提供了新路徑。近期，天然三維晶體中的剪切極化激元可以實(shí)現(xiàn)光的非對(duì)稱傳播，進(jìn)一步提升了納米尺度光的定向操控能力。然而，這類極化激元的調(diào)控受限于體材料本征屬性，難以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)。
針對(duì)這一難題，同濟(jì)大學(xué)物理科學(xué)與工程學(xué)院王占山教授和程鑫彬教授團(tuán)隊(duì)的江濤教授，聯(lián)合美國(guó)紐約城市大學(xué)Andrea Alù教授、中南大學(xué)的倪祥教授，提出了一種基于二維范德華材料的剪切極化激元調(diào)控策略。研究團(tuán)隊(duì)利用α相三氧化鉬（α-MoO3）天然雙曲特性，通過構(gòu)建層間扭轉(zhuǎn)角可調(diào)的異質(zhì)結(jié)構(gòu)，在二維體系中實(shí)現(xiàn)了雙曲剪切極化激元的多維度操控。實(shí)驗(yàn)證實(shí)，可以通過調(diào)節(jié)雙層α-MoO3的厚度和轉(zhuǎn)角，顯著改變體系的對(duì)稱性，從而精準(zhǔn)操控納米尺度極化激元的傳播方向與模式分布。進(jìn)一步耦合石墨烯場(chǎng)效應(yīng)晶體管，實(shí)現(xiàn)了雙曲剪切極化激元的原位動(dòng)態(tài)調(diào)控，為光電子學(xué)微納器件的開發(fā)提供了新思路。2025年3月26日，相關(guān)成果以“Engineering shear polaritons in 2D twisted heterostructures”為題，在線發(fā)表于國(guó)際期刊《自然?通訊》（Nature Communications）。
該研究通過構(gòu)建扭轉(zhuǎn)雙層α-MoO3結(jié)構(gòu)，在二維體系中誘導(dǎo)出雙曲剪切極化激元，進(jìn)一步調(diào)節(jié)層間扭轉(zhuǎn)角度和厚度，可有效控制雙曲剪切極化激元的傳播方向、能量損耗和局域場(chǎng)強(qiáng)度。結(jié)合紅外散射型掃描近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡（s-SNOM）表征與全波電磁模擬，研究系統(tǒng)闡明了雙曲剪切極化激元的剪切效應(yīng)及損耗調(diào)控機(jī)制：扭轉(zhuǎn)角度可增強(qiáng)極化激元的非對(duì)稱傳播特性，實(shí)現(xiàn)光信號(hào)沿特定方向的高效傳輸，同時(shí)優(yōu)化局域場(chǎng)分布；調(diào)節(jié)厚度可進(jìn)一步豐富傳播特性；而通過引入石墨烯的費(fèi)米能級(jí)調(diào)控，成功實(shí)現(xiàn)對(duì)外加電場(chǎng)響應(yīng)的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)。
值得關(guān)注的是，該研究不僅突破了三維低對(duì)稱性材料對(duì)剪切極化激元調(diào)控的固有局限，更通過二維材料體系拓展了剪切極化激元的調(diào)控維度，展示了其在動(dòng)態(tài)可調(diào)諧納米光電子器件中的應(yīng)用潛力。
圖1 轉(zhuǎn)角α-MoO3剪切極化激元的示意圖
本研究使用 Bruker nanoIR3s 紅外散射型掃描近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡，檢測(cè)扭轉(zhuǎn)雙層α-MoO3結(jié)構(gòu)的近場(chǎng)成像。并在其基礎(chǔ)功能上創(chuàng)新耦合了電學(xué)調(diào)控模塊、近場(chǎng)光電流測(cè)試模塊與偽外差測(cè)試模塊，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)外加電場(chǎng)的精確調(diào)控，進(jìn)一步拓展近場(chǎng)光學(xué)測(cè)量能力。在實(shí)驗(yàn)表征中，s-SNOM 通過原子力顯微鏡探針耦合紅外激光，使探針尖端的強(qiáng)局域場(chǎng)與樣品相互作用，從而產(chǎn)生近場(chǎng)散射信號(hào)。由于探針的納米級(jí)尺寸，該方法可突破衍射極限，實(shí)現(xiàn)高空間分辨率的光學(xué)成像和光譜測(cè)量。此外，探針的振動(dòng)調(diào)制與鎖相檢測(cè)技術(shù)結(jié)合，可有效抑制遠(yuǎn)場(chǎng)背景干擾，提高信號(hào)的信噪比。
圖2 不同扭轉(zhuǎn)角度的轉(zhuǎn)角α-MoO3剪切極化激元的測(cè)量。a不同扭轉(zhuǎn)角度的α-MoO3片層光學(xué)圖像，b-e極化激元的近場(chǎng)成像，f-i 傅里葉光譜實(shí)驗(yàn)圖，j-m傅里葉光譜模擬圖，n剪切因子和品質(zhì)因子隨扭轉(zhuǎn)角度增加而增加
圖3 不同厚度的轉(zhuǎn)角α-MoO3剪切極化激元的測(cè)量。a不同厚度的α-MoO3片層光學(xué)圖像，b-e極化激元的近場(chǎng)成像，f-i 傅里葉光譜實(shí)驗(yàn)圖，j-m傅里葉光譜模擬圖，n剪切因子和品質(zhì)因子隨扭轉(zhuǎn)角度增加而增加
圖4 轉(zhuǎn)角α-MoO3剪切極化激元的電學(xué)調(diào)控行為。a雙層轉(zhuǎn)角α-MoO3/石墨烯異質(zhì)結(jié)構(gòu)示意圖，b不同費(fèi)米能級(jí)剪切極化激元的等頻等值線，c-g極化激元的近場(chǎng)成像，h-l 傅里葉光譜實(shí)驗(yàn)圖， m-q 傅里葉光譜模擬圖
論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41467-025-58197-4
Bruker IconIR&nanoIR納米紅外光譜介紹:
https://www.bruker.com/en/products-and-solutions/infrared-and-raman/nanoscale-infrared-spectrometers/dimension-iconir.html
https://www.bruker.com/en/products-and-solutions/infrared-and-raman/nanoscale-infrared-spectrometers/Anasys-nanoir3.html