为研究纳米尺度的光操控提供新平台

本报记者陆成宽

纳米尺度的光电融合是未来高性能信息器件的重要发展路线。如何在纳米尺度对光进行精准操控是其中最关键的科学问题。

(资料图)

利用极化激元是实现纳米尺度光操控的新思路。2月10日，《科学》报道了一项极化激元领域的重要进展。经过十多年的不懈努力，国家纳米科学中心戴庆研究团队实现了极化激元的高效激发和长程传输。在此基础上，他们成功创制“光晶体管”，实现纳米尺度光正负折射调控，显著提升了纳米尺度光操控能力。

光电融合是未来方向

与电子相比，光子具有速度快、能耗低、容量高等诸多优势，在大幅提升信息处理能力方面被寄予厚望。因此，光电融合系统被认为是构建下一代高效率、高集成度、低能耗信息器件的重要方向。

“光电融合能够发挥光传输、电计算的优势，成为后摩尔时代的重要技术路线。”国家纳米科学中心研究员戴庆解释，然而，由于光子不携带电荷且光的传输受限于光学衍射极限，和能轻易通过电学调控的电子相比，对光子的纳米尺度调控并不容易。

极化激元是一种由入射光与材料表界面相互作用形成的特殊电磁模式，也可以被认为是一种光子与物质耦合形成的准粒子。它具有优异的光场压缩能力，可以轻易突破光学衍射极限，从而实现纳米尺度上光信息的传输和处理。

戴庆研究团队率先提出了利用极化激元作为光电互联媒介的新思路，充分发挥它对光的高压缩和易调控优势，不仅有望实现高效光电互联，还可以提供额外的信息处理能力，从而进一步提升光电融合系统的性能。

在近期的研究中，戴庆研究团队成功给低对称极化激元拍了照，实现了低对称声子极化激元的实空间成像，证实了近场“轴色散”效应，揭示了一种新的在纳米尺度实现光子操控的可行路径。

同时，他们还大幅提高了纳米尺度的光子精确操控水平，成功将10微米波长的红外光压缩成几十纳米波长的极化激元，并调控性能，实现平面内的能量聚焦和定向传播。

对此，戴庆解释道：“光电互联是光电融合的重要基础，它相当于光电两条高速公路交汇的收费站，而构筑极化激元光电互联相当于将原来的收费站改造成立交桥，从而大幅增加传输通道和提升信息处理的速度。”

证实一项非常规物理现象

在前期研究的基础上，研究团队设计并构筑了微纳尺度的石墨烯/氧化钼范德华异质结，实现了用一种极化激元调控另一种极化激元开关的“光晶体管”功能。

在戴庆看来，这项研究充分发挥了不同材料的纳米光子学特性，突破了传统结构光学方案在波段、损耗、压缩和调控等多个方面的性能瓶颈。

“相比人工结构，聚焦于材料自身的光子学特性是另一种更加直接获取光学功能的途径。”研究团队成员、国家纳米科学中心副研究员胡海打了个比方，“就像《舌尖上的中国》所说的‘高端的食材往往只需要采用最朴素的烹饪方式’。利用简便的范德华材料堆叠，便可以实现奇异的光学调控功能，比如我们展示的负折射效应。”

所谓负折射，是指入射光与折射光在界面法线同侧的特殊物理现象。“简单来说，就是光沿‘错误’方向偏折了。”胡海解释说，“举个例子，负折射就像我们在镜中观察世界，与真实世界相比，一切都是颠倒的。”

“我们利用电学栅压对极化激元这种光波的折射行为实现了动态调控，使其从常规的正折射转变到奇异的负折射。这意味着可以像操纵电子一样操纵光子，这对将来高性能光电融合器件与系统的发展有重要的促进作用。”戴庆表示，在应用上，这项研究面向光电融合器件走向大规模集成缺乏高效、紧凑光电互联方式的重大需求。在科学上，研究为解决突破衍射极限下高效光电调制的难题提供了新思路。

“这是一项非常有趣的研究。”该论文审稿人评价说，“这证实了一项非常规的物理现象，为研究纳米尺度的光操控提供了崭新的平台。”