光電集成芯片可以最大限度發(fā)揮光子傳輸、電子計算的優(yōu)勢，是獲取跨越式信息處理能力的關(guān)鍵器件�，F(xiàn)有硅基光電集成方案主要通過光電效應(yīng)實現(xiàn)光電信號轉(zhuǎn)換，其中光模塊主要依賴光纖、波導(dǎo)和微鏡等技術(shù)。但是由于光學(xué)衍射極限的限制，微米尺寸的光傳輸模塊難以與納米尺寸的電計算模塊聯(lián)接融合，嚴重制約光電芯片集成度的提升。 為此，國家納米科學(xué)中心戴慶研究團隊提出利用范德華材料極化激元壓縮光波，并在納米尺度上對光進行“操控”，有望為光電互聯(lián)提供新的方案。8月18日，相關(guān)研究成果以“Doping-driven topological polaritons in graphene/α-MoO3 heterostructures”為題，發(fā)表在Nature Nanotechnology期刊上，并同期發(fā)表評述文章對此項研究進一步報道。 在前期的研究工作中，戴慶課題組突破了傳統(tǒng)靜電摻雜和液體化學(xué)摻雜技術(shù)難以兼顧載流子遷移率和濃度的瓶頸，發(fā)展了兼具高遷移率和高濃度的氣相化學(xué)摻雜技術(shù)，實現(xiàn)了石墨烯費米能級從0到0.7 eV寬范圍調(diào)制。實現(xiàn)了迄今為止室溫下石墨烯等離激元的最遠傳輸記錄（Nature Communications, 2022, 13: 1465.）。此外，通過激發(fā)結(jié)構(gòu)的設(shè)計，實現(xiàn)了α-MoO3中雙曲聲子極化激元的面內(nèi)光學(xué)聚焦（Advanced Materials, 2022, 34(23): 2105590.）。 
圖1.（a, d）石墨烯和α相氧化鉬的晶格結(jié)構(gòu)示意圖。（b, c, e, f）懸空石墨烯上等離激元和α-MoO3中雙曲聲子極化激元的近場光學(xué)成像圖和相應(yīng)的等頻色散曲線。（g）不同石墨烯摻雜條件下的雜化極化激元色散等頻輪廓線，揭示了其由開口的雙曲線到閉合的橢圓線的拓撲變化過程。
在此基礎(chǔ)上，戴慶課題組與合作者構(gòu)建了高質(zhì)量的石墨烯/α相氧化鉬異質(zhì)結(jié)，實現(xiàn)了石墨烯/α相氧化鉬異質(zhì)結(jié)中極化激元等頻色散輪廓從開口到閉合的原位、動態(tài)、可逆拓撲轉(zhuǎn)變，打破了聲子極化激元傳輸受支撐材料晶向的限制。此外，襯底材料對于調(diào)控這種雜化極化激元色散也起到重要作用。當異質(zhì)結(jié)位于金襯底時，由于鏡像耦合作用，極化激元的波矢受到顯著增強并且在拓撲轉(zhuǎn)變的臨界點附近形成渠化傳輸模式，能夠?qū)⒛芰繀R聚到特定方向進行無衍射傳輸。 
圖2. （a-c）近場光學(xué)實驗觀測石墨烯/α-MoO3異質(zhì)結(jié)中雜化極化激元拓撲轉(zhuǎn)變。（d-f）近場實驗數(shù)據(jù)的傅里葉變換揭示極化激元等頻色散曲線從雙曲到橢圓的連續(xù)拓撲轉(zhuǎn)變。 基于襯底變化對雜化極化激元色散的影響，研究團隊進一步通過襯底介電環(huán)境設(shè)計，構(gòu)造了寬度僅有1.5μm 的二氧化硅平面透鏡，實現(xiàn)了極化激元橢圓傳播模式的納米聚焦。不僅將入射光的波長壓縮至原來的4.8%，同時能量增強4.5倍。這項研究利用極化激元實現(xiàn)納米尺度光的操控，未來有望應(yīng)用于納米尺度光電融合與器件集成等諸多領(lǐng)域。 
圖3. （a）襯底調(diào)控拓撲極化激元平面聚焦示意圖。（b）拓撲極化激元平面聚焦近場光學(xué)成像圖。
韓國科學(xué)技術(shù)高等研究院的Min Seok Jang教授在同期發(fā)表的新聞和評述文章里評價該工作突破了傳統(tǒng)聲子極化波受限于晶格結(jié)構(gòu)而難以調(diào)控的難題，為極化波解鎖了重要的調(diào)控功能，對將來實現(xiàn)納米成像、光學(xué)傳感和納米級能量操縱等應(yīng)用意義重大。 國家納米科學(xué)中心戴慶研究員，西班牙光子科學(xué)研究所Javier García de Abajo教授和Renwen Yu為該文章的共同通訊作者，國家納米科學(xué)中心胡海副研究員（青促會第十二批會員）為第一作者和共同通訊作者之一，博士研究生陳娜和騰漢超是共同一作。論文的合作者還包括化學(xué)所劉云圻院士、斯坦福大學(xué)范汕洄教授、華中科技大學(xué)李培寧教授，物理所陳佳寧研究員、美國紐約州立大學(xué)石溪分校劉夢昆教授和芬蘭阿爾托大學(xué)孫志培教授等。上述研究工作獲得了國家重點研發(fā)計劃納米科技重點專項、國家自然科學(xué)基金、中科院人青促會項目及中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項B類等項目的支持。 論文鏈接: https://doi.org/10.1038/s41565-022-01185-2。
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