近日，厦门大学物理科学与技术学院陈焕阳教授团队与中国地质大学戴志高教授团队及Qiaoliang Bao联合，利用天然双轴晶体α-MoO3和各向同性材料石墨烯，在石墨烯和α-MoO3异质结构界面上实现了可调谐的杂化极化激元及其光学拓扑转变，并且在实验上验证了拥有不同厚度α-MoO3的石墨烯/α-MoO3异质结构中存在杂化极化激元。相关成果以“Tailoring Topological Transitions of Anisotropic Polaritons by Interface Engineering in Biaxial Crystals”为题，以封面形式发表在国际著名期刊《Nano Letters》上。
各向异性极化激元的光学拓扑转变
极化激元作为一种光子与物质耦合而成的准粒子可以突破光的衍射极限并将光压缩到纳米尺度上，提供了一种独特的方式来利用和操纵光，在当今光物理、光化学、光信息等众多研究领域扮演着举足重轻的角色。其经典概念和基本物理最早由我国著名的半导体物理学家黄昆先生提出和建立。传统的在金属和介质界面上形成表面等离极化激元（SPP）在光学各领域被广泛地研究和应用。然而,由于欧姆损耗的存在，导致SPP的寿命较低，极大限制了其应用。近年来，随着二维材料的出现，它们同样能够支持极化激元的传播，而且相比于金属SPP，二维材料中的极化激元具有更低损耗和超高场局域能力，因此在集成和超薄纳米光子器件中具有非常广阔的应用前景。
二维材料中的极化激元在纳米光子器件中的应用依赖于极化激元可控的传播特性，而这种特性主要是由其色散决定的。因此二维材料中极化激元色散的调控对未来集成纳米光学具有重要意义。通过结构化的二维材料以及双层扭转结构可以对极化激元的色散进行有效的调控，实现可定制的极化激元。然而，这些方法都缺乏动态可调性，各向异性极化激元的主动调谐是集成光子电路中亟待解决的问题。
在这项工作中，基于石墨烯SPPs和α-MoO3中的PhPs重叠的激发波长，通过设计不同的α-MoO3和石墨烯的界面工程可以调控杂化极化激元的色散，从而实现定制的各向异性极化激元及其可调谐光学拓扑转变(色散曲线从封闭的曲线变成开放的曲线)。实验结果表明石墨烯/α-MoO3异质结构中的杂化极化激元可以沿α-MoO3中PhPs禁止方向进行传播，验证了异质结中定制的杂化极化激元的存在。
此外，由于石墨烯的动态可调谐性，在异质结构中石墨烯和α-MoO3之间的层间耦合可以通过费米能级来进行动态地调节。随着石墨烯费米能级的增加，石墨烯SPPs的波矢逐渐减小，在低k处石墨烯SPPs对杂化激元的影响逐渐增大，从而导致杂化极化激元的色散曲线逐渐从双曲变成椭圆，波前逐渐从开放到闭合。而作为一种范德华材料，α-MoO3的厚度对其色散有着重要的影响。在石墨烯/α-MoO3异质结构中，通过调节α-MoO3的厚度，可以控制杂化极化激元的色散。随着α-MoO3的厚度的减小，α-MoO3激发的PhPs的截止波矢逐渐变大，导致在低k处PhPs对杂化极化激元的影响逐渐变小，从而使得异质结构中杂化极化激元的各向异性程度逐渐减小，色散曲线逐渐从凹变凸。此外，实验上也验证了拥有不同α-MoO3厚度的石墨烯/α-MoO3异质结构中的杂化极化激元，结果表明由于异质结构中α-MoO3厚度阶梯的存在石墨烯/α-MoO3异质结构中极化激元相比于α-MoO3中的PhPs拥有更长的寿命。
研究团队提出三种石墨烯和α-MoO3异质结构，并且基于石墨烯的动态可协调性，可以实现可调的定制的杂化极化激元及其拓扑转变。同时由于范德华材料色散对厚度的依赖性，α-MoO3的厚度也可以作为调控异质结色散的有效方式。因此本研究工作为基于低损耗极化激元的可调谐光子器件，光学信号处理及神经形态光子电路等奠定了基础。
该工作得到国家自然科学基金委、重点研发计划、国家留学基金委以及111引智项目(B16029)的大力支持。
厦门大学物理科学与技术学院2019级博士研究生曾雅丽与莫纳什大学欧清东研究员为文章的共同第一作者，厦门大学物理科学与技术学院陈焕阳教授，澳大利亚莫纳什大学Qiaoliang Bao和中国地质大学戴志高教授为通讯作者。