国家纳米科学中心最新Science
2023/2/15 10:11:43 阅读:136 发布者:
负折射为分子传感和热发射应用提供了一个操纵中红外和太赫兹辐射的平台。然而,基于超材料和等离子体介质的实现面临着光学损耗、有限的空间限制以及在该光谱范围内缺乏主动可调性的挑战。
2023年2月9日,中国科学院纳米科学卓越创新中心/国家纳米科学中心戴庆研究员、胡海及巴塞罗那科学技术学院Javier García de Abajo共同通讯在Science在线发表题为“Gate-tunable negative refraction of mid-infrared polaritons”的研究论文,该研究表明中红外极化激光的门可调负折射。
该研究在范德华异质结构中使用混合拓扑极化激元演示了中红外频率的门可调谐负折射。具体来说,该研究在部分用石墨烯装饰的a-MoO3薄膜中观察到广角负折射极化激元,并进行可逆的平面纳米级聚焦。作者的原子厚度异质结构削弱了界面上的散射损失,同时通过电门控实现正向折射到负折射的主动可调过渡。总之,该研究提出了极化负折射作为一个有前途的红外应用平台,如电可调超分辨率成像,纳米级热操纵,增强分子传感和片上光学电路。
负折射在光学、纳米电子学、声学和磁学中被广泛研究,作为一种反直觉的物理现象,在亚波长成像和隐身等应用方面具有强大的潜力。过去二十年来,这一领域取得了重大进展,通常使用金属超材料、介电光子晶体以及双曲型超材料,由亚波长单元单元周期性阵列组成。在这些结构中使用的超材料限制了它们强烈限制光的能力。作为一种替代方法,金属等离子体元在紫外、可见光和近红外区域也表现出负折射。这种方法受到可见和更高频率的欧姆损失以及红外范围内较差的空间限制的限制。因此,中红外和太赫兹域的深亚波长负折射仍然是一个挑战,尽管它有取样和控制分子振动和热辐射的潜力。
范德华(vdW)材料的出现通过利用其极化子模式的强光学限制,在宽光谱范围内控制纳米尺度的光引入了新的自由度。最近的理论研究提出了使用vdW极化元来实现深亚波长中红外负折射,例如,在石墨烯周期性阵列中,或使用平面石墨烯和六方氮化硼(h-BN)异质结构。然而,极化激元在这些结构中的极端空间限制阻碍了其色散的定制;这种结构固有的反射和散射损失也使理论概念的实现复杂化。
门可调负折射(图源自Science )
该研究通过设计由半覆盖单层石墨烯的扩展a-MoO3薄膜组成的vdW异质结构,实验证明了中红外光谱区域从正常折射到负折射的转变。基于红外纳米镜的实空间纳米成像揭示了在大范围入射角上观测到的负折射,这依赖于具有可调谐色散曲线的拓扑极化元。该研究利用可逆负折射来演示具有凹或凸波面的纳米级聚焦,由于极激元的高度空间限制和所采用的vdW结构的原子厚度,导致深亚波长焦斑的高度压缩尺寸小于相应照明波长的60倍,强度增强超过10倍,负折射透射率为~90%。值得注意的是,从正折射到负折射可以通过静电门进行主动调谐,从而能够原位控制极化元的波前,改变聚焦点及其纳米级光学场。
考虑到现有的二维极化激元材料的广泛范围,预计其他vdW异质结构中的极化子会发生负折射。现有的材料种类繁多,可能导致覆盖整个中红外和太赫兹区域的极化负折射。强极化子场约束、对各向异性极化子传播和聚焦的灵活控制以及材料堆叠和电动门控的可调性的综合优势为光学和热应用中的负折射开辟了令人兴奋的途径。
国家纳米科学中心戴庆研究员,西班牙光子科学研究所Javier Abajo教授为该文章的共同通讯作者,中心胡海副研究员为共同一作和共同通讯作者之一,博士研究生陈娜和滕汉超是共同一作。上述研究工作获得了国家重点研发计划纳米科技重点专项、国家自然科学基金等项目的支持。
原文链接:
https://www.science.org/doi/10.1126/science.adf1251
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