北京理工大学在红外纳米光场传播调控方面取得重要进展

　　图1.展示了不同介电环境对单个氧化钼薄层中极化激元传播行为的调制作用

　　光子可以像电子一样作为信息载体来生成、处理、传输信息。与电子相比，光子作为信息载体具有速度快、带宽高、容量大的优势。光子芯片有望解决电子芯片解决不了的功耗、访存能力和计算机整体性能等难题，被认为是下一代通信技术(光通信)的基础设施。虽然光子芯片的研究已经取得了非常多的重要进展，但下一代纳米光电芯片的开发、集成和应用一直存在两个关键问题：1.光场衍射限制了光电器件的小型化和集成化(光场局域问题);2.光子的玻色子属性导致光与物质相互作用较弱，与电子相比光子更难操控(光场操控问题)。

　　纳米光子学中利用极化激元(光子与其它粒子耦合产生的特殊电磁模式)实现光学通路及其片上集成是光子芯片研究的前沿方向。极化激元的高光场局域特性有望解决光场局域问题，其半光-半物质属性也为解决光场操控问题提供了有力手段。此前，北京理工大学物理学院姚裕贵教授团队成员段嘉华教授与西班牙奥维耶多大学Pablo Alonso Gonzalez教授合作，在三层转角氧化钼材料中发现了多重“光学魔角”，极化激元所有波矢分量对应的波印廷矢量均指向同一方向，即光场能量沿着特定方向低损耗且非衍射传播，是红外光的天然纳米波导。

　　相关工作发表于Nature Materials [22, 867 (2023)]，并入选2023年中国光学十大影响力事件。然而，多层转角结构制备过程较为复杂，精确控制转角和二维材料厚度需要进行多次材料制备和样品对准过程，不利于非衍射极化激元的实际应用。鉴于此，北京理工大学物理学院姚裕贵教授团队成员段嘉华教授与西班牙奥维耶多大学Pablo Alonso Gonzalez教授再次合作，在Science Advances在线发表“Canalization-based super-resolution imaging using an individual van der Waals thin layer”的研究成果。研究者通过精确调控极化激元材料的介电环境，在单个氧化钼薄层中实现了极化激元的非衍射传播，从而避免了转角结构所需的复杂样品制备过程。在此基础上，他们提出了基于极化激元非衍射传播的超分辨光学成像方案，成像分辨率为入射光波长的220分之一。

　　图1A的示意图展示了当氧化钼材料衬底由二氧化硅变为碳化硅时，极化激元由传统的双曲传播变为高度定向传播(非衍射传播)。图1B中给出了在单个氧化钼薄层中实现极化激元非衍射传播的理想衬底介电常数(红色实线)，其中二氧化硅(黑色实线)和金(橙色实线)衬底介电常数与理想介电常数相差较大，而碳化硅衬底(绿色实线)介电常数与理想介电常数较为接近。

　　图1C和图1D分别给出了碳化硅和二氧化硅衬底上极化激元色散行为的解析解。图E-H给出了碳化硅衬底上极化激元在不同入射光波数时传播行为的数值模拟结果，表明了在很宽的频率范围内极化激元都表现出非衍射传播。图I-L给出了二氧化硅衬底上极化激元在不同波数时传播行为的数值模拟结果，极化激元表现出常见的双曲传播行为。

　　图2.展示了碳化硅衬底上氧化钼材料中极化激元的近场光学图像

　　研究人员基于纳米级空间分辨率的红外近场光学成像技术对极化激元传播行为进行实空间成像。图2A给出了红外纳米成像的示意图，通过金属纳米天线激发氧化钼中的极化激元，针尖逐点扫描将近场信号散射到远场探测器，最后获得实空间图像。图2B-D分别是不同入射光波数下极化激元的实空间成像，极化激元沿着水平方向高度定向传播，即非衍射传播。图2E-G为相应的数值模拟结果，与实验结果符合良好。图2H中展示了极化激元传播的波形图，可以提取出极化激元非衍射传播的波长。图I给出了非衍射传播极化激元的光学色散和传播寿命。

　　图3.展示了基于极化激元非衍射传播的超分辨成像方案图

　　3A表明，极化激元的非衍射传播可以在氧化钼上表面复现氧化钼下表面金属纳米天线的局域电磁场分布。图3B-D给出了七个不同间隔金纳米天线的近场光学成像和数值模拟结果，由于极化激元非衍射传播，可以在入射光波长为11微米的条件下分辨间隔仅为50nm的两个金纳米圆盘(6和7)。图3E中研究人员将氧化钼材料旋转，可以上表面的不同位置处重现金纳米天线的电磁场分布，在光信息传输、光电探测、分子检测等多个领域具有应用潜力。图3F-H为相应的近场光学成像和数值模拟结果。图3I-K表明可以通过旋转氧化钼材料在很大的空间范围内实现金纳米天线电磁场分布的重现。