極化激元晶體管的基本原理示意圖

納米尺度的光電融合是未來高性能信息器件發(fā)展的必然趨勢。如何在微納甚至原子尺度對光進行精準操控，是其中最關鍵的科學問題。

中國科學院國家納米科學中心納米光子室的科研人員率先提出利用極化激元作為光電互聯(lián)媒介的新思路，發(fā)揮其對光高壓縮和易調(diào)控的優(yōu)勢，并有了切實可行的研究結(jié)果。

近日，該團隊與合作者發(fā)現(xiàn)低對稱晶體中極化激元“軸色散”效應 ，并提出異質(zhì)結(jié)調(diào)控極化激元新機制。在此基礎上，他們設計并構(gòu)筑了微納尺度的石墨烯/氧化鉬范德華異質(zhì)結(jié)，實現(xiàn)了用一種極化激元調(diào)控另一種極化激元開關的“光晶體管”功能。利用這一功能，未來有望像操縱電子一樣操縱光子，為高性能光電融合的發(fā)展作出重要鋪墊。2月10日，相關研究發(fā)表于《科學》。

新奇的“負折射”

“這項研究中，我們通過材料設計實現(xiàn)了光正負折射的動態(tài)調(diào)控，為構(gòu)筑與非門等光邏輯單元提供了重要基礎?！痹搱F隊負責人、國家納米科學中心研究員戴慶告訴《中國科學報》，“這意味著，人們可以在光電互聯(lián)設計中實現(xiàn)類似晶體管的功能?！?/p>

向水杯中插根筷子，看起來筷子似乎被“折斷”了，但這實際上是光的折射帶來的視覺效果。光的折射遵循折射定律，即光穿過不同界面產(chǎn)生折射時，入射光和折射光會對稱分布在法線兩側(cè)。而負折射是入射光與折射光在界面法線同側(cè)的特殊物理現(xiàn)象。

“我們可以將正折射理解為‘正常的折射’（符合折射定律）。如果正折射時光線向右偏折，負折射就是向左偏折。”論文第一作者、國家納米科學中心副研究員胡海解釋說，“比如，我們通?？吹剿械目曜酉蛴移?，發(fā)生負折射時就會看到筷子偏向左邊。”

光線向哪個方向折射由傳播介質(zhì)的材料性質(zhì)決定。在自然界中，找到能產(chǎn)生負折射現(xiàn)象的材料絕非易事，這也令一些科學家最開始不相信負折射現(xiàn)象的存在。

設計“高端食材”

與電子相比，光子具有速度快、能耗低、容量高等諸多優(yōu)勢，未來有望大幅提升信息處理能力。而光電融合系統(tǒng)被認為是構(gòu)建下一代高效率、高集成度、低能耗信息器件的重要方向。但現(xiàn)有光電互聯(lián)技術(shù)依賴多次光電效應轉(zhuǎn)換，存在效率低、速度慢、體積大等問題。此外，和電子相比，光子的納米尺度操控并不容易。

“控制光的折射方向——從左邊穿過、右邊穿過還是兩邊同時穿過，就像晶體管實現(xiàn)高低（1,0）兩個電位的切換一樣?？刂乒獾恼凵浞较蛳喈斢趯崿F(xiàn)了晶體管導通、斷開或高低電位功能?！焙＝忉屨f。

1951年，我國物理學家黃昆先生提出“極化激元”概念。極化激元是光與物質(zhì)相互耦合形成的一種特殊電磁模式，可以實現(xiàn)高度光場壓縮與能量聚集，因此成為納米光子學領域的重要研究對象。

但極化激元攜帶光子屬性，人們難以對其實現(xiàn)有效調(diào)控。此前的調(diào)控方式是，以微納尺度的人工周期性結(jié)構(gòu)（多種微結(jié)構(gòu)堆疊排列）造出“超材料”，利用結(jié)構(gòu)特性實現(xiàn)光偏折。這種方法需要進行復雜的結(jié)構(gòu)加工，對材料和工藝的要求都很高，而在納米尺度上實現(xiàn)的難度更大。并且，光在結(jié)構(gòu)內(nèi)部穿過成百上千個界面，會出現(xiàn)難以避免的散射損耗。

“這些問題導致超材料技術(shù)雖然驗證了負折射現(xiàn)象的存在，卻未能進一步應用在實際器件中。”胡海說。

為解決這些問題，團隊進行了大量研究。在無數(shù)次理論推演和實驗驗證后，團隊認為應該換個思路，把問題簡單化，回到材料本身的屬性上尋找解決方案。

“就像《舌尖上的中國》所說，高端的食材往往只需要最樸素的烹飪方式。與其在廚藝（結(jié)構(gòu)排列和加工工藝）上用力，不如從食材（材料設計）方面尋找出路?！贝鲬c解釋道，“相比人工結(jié)構(gòu)，聚焦材料自身的光子學特性是一種更直接獲取光學功能的途徑?！?/p>

沿著這一方向，研究團隊提出利用范德華材料極化激元構(gòu)筑納米至原子尺度的光電互聯(lián)新方案。該方案充分發(fā)揮極化激元對光高壓縮和易調(diào)控的優(yōu)勢，避免原有光電效應引起的問題。未來，這種極化激元新機制不僅能更好實現(xiàn)光電互聯(lián)，還可以提供額外的信息處理能力，從而進一步提升光電融合器件的性能。

嶄新的光操控平臺

無論大數(shù)據(jù)、云計算還是元宇宙，我們身處的這個“炫酷”信息世界，其實是通過開關、放大、濾波、信號調(diào)制等數(shù)個基本晶體管功能組合疊加實現(xiàn)的。

“如果可以像操縱電子一樣操縱光子，就能夠為高性能光電融合的發(fā)展作出重要鋪墊?！贝鲬c說，“目前，我們可以控制光傳不傳、向哪個方向傳，這些特性類似晶體管的開關效應、單向傳輸?shù)裙δ?。?/p>

為將技術(shù)應用于光晶體管設計，研究人員把目光鎖定在石墨烯和一種氧化物上。這些都是納米至單原子級厚度的層狀材料，且兩個材料間有互補的光電性質(zhì)，有望實現(xiàn)預期的折射效果，還能把“控制結(jié)構(gòu)”做得盡可能小。

人們能看見一個物體的原因是物體發(fā)光或反光進入眼中，而負折射可以改變光的傳播方向。研究者認為，如果利用該技術(shù)改變原本射入人眼的光的路線，就能在一定條件下實現(xiàn)隱身效果。

論文審稿人評價說：“這是一項非常有趣的研究，證實了一個非常規(guī)的物理現(xiàn)象，為研究納米尺度的光操控提供了嶄新平臺。”

相關論文信息：
https://doi.org/10.1126/science.adf1251

審核編輯 ：李倩