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納米尺度的光電融合是未來高性能信息器件的重要發展路線。如何在納米尺度對光進行精準操控是其中最關鍵的科學問題。

利用極化激元是實現納米尺度光操控的新思路。2月10日，《科學》報道了一項極化激元領域的重要進展。經過十多年的不懈努力，國家納米科學中心戴慶研究團隊實現了極化激元的高效激發和長程傳輸。在此基礎上，他們成功創制“光晶體管”，實現納米尺度光正負折射調控，顯著提升了納米尺度光操控能力。

(資料圖片僅供參考)

光電融合是未來方向

與電子相比，光子具有速度快、能耗低、容量高等諸多優勢，在大幅提升信息處理能力方面被寄予厚望。因此，光電融合系統被認為是構建下一代高效率、高集成度、低能耗信息器件的重要方向。

“光電融合能夠發揮光傳輸、電計算的優勢，成為后摩爾時代的重要技術路線。”國家納米科學中心研究員戴慶解釋，然而，由于光子不攜帶電荷且光的傳輸受限于光學衍射極限，和能輕易通過電學調控的電子相比，對光子的納米尺度調控并不容易。

極化激元是一種由入射光與材料表界面相互作用形成的特殊電磁模式，也可以被認為是一種光子與物質耦合形成的準粒子。它具有優異的光場壓縮能力，可以輕易突破光學衍射極限，從而實現納米尺度上光信息的傳輸和處理。

戴慶研究團隊率先提出了利用極化激元作為光電互聯媒介的新思路，充分發揮它對光的高壓縮和易調控優勢，不僅有望實現高效光電互聯，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系統的性能。

在近期的研究中，戴慶研究團隊成功給低對稱極化激元拍了照，實現了低對稱聲子極化激元的實空間成像，證實了近場“軸色散”效應，揭示了一種新的在納米尺度實現光子操控的可行路徑。

同時，他們還大幅提高了納米尺度的光子精確操控水平，成功將10微米波長的紅外光壓縮成幾十納米波長的極化激元，并調控性能，實現平面內的能量聚焦和定向傳播。

對此，戴慶解釋道：“光電互聯是光電融合的重要基礎，它相當于光電兩條高速公路交匯的收費站，而構筑極化激元光電互聯相當于將原來的收費站改造成立交橋，從而大幅增加傳輸通道和提升信息處理的速度。”

證實一項非常規物理現象

在前期研究的基礎上，研究團隊設計并構筑了微納尺度的石墨烯/氧化鉬范德華異質結，實現了用一種極化激元調控另一種極化激元開關的“光晶體管”功能。

在戴慶看來，這項研究充分發揮了不同材料的納米光子學特性，突破了傳統結構光學方案在波段、損耗、壓縮和調控等多個方面的性能瓶頸。

“相比人工結構，聚焦于材料自身的光子學特性是另一種更加直接獲取光學功能的途徑。”研究團隊成員、國家納米科學中心副研究員胡海打了個比方，“就像《舌尖上的中國》所說的‘高端的食材往往只需要采用最樸素的烹飪方式’。利用簡便的范德華材料堆疊，便可以實現奇異的光學調控功能，比如我們展示的負折射效應。”

所謂負折射，是指入射光與折射光在界面法線同側的特殊物理現象。“簡單來說，就是光沿‘錯誤’方向偏折了。”胡海解釋說，“舉個例子，負折射就像我們在鏡中觀察世界，與真實世界相比，一切都是顛倒的。”

“我們利用電學柵壓對極化激元這種光波的折射行為實現了動態調控，使其從常規的正折射轉變到奇異的負折射。這意味著可以像操縱電子一樣操縱光子，這對將來高性能光電融合器件與系統的發展有重要的促進作用。”戴慶表示，在應用上，這項研究面向光電融合器件走向大規模集成缺乏高效、緊湊光電互聯方式的重大需求。在科學上，研究為解決突破衍射極限下高效光電調制的難題提供了新思路。

“這是一項非常有趣的研究。”該論文審稿人評價說，“這證實了一項非常規的物理現象，為研究納米尺度的光操控提供了嶄新的平臺。”