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(guān)鍵的科學(xué)問題。

中國科學(xué)院國家納米科學(xué)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(yīng) ，并提出異質(zhì)結(jié)調(diào)控極化激元新機制。在此基礎(chǔ)上，他們設(shè)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(guān)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(guān)研究發(fā)表于《科學(xué)》。

新奇的“負折射”

“這項研究中，我們通過材料設(shè)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(chǔ)。”該團隊負責(zé)人、國家納米科學(xué)中心研究員戴慶告訴《中國科學(xué)報》，“這意味著，人們可以在光電互聯(lián)設(shè)計中實現(xiàn)類似晶體管的功能。”

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(xué)中心副研究員胡海解釋說，“比如，我們通常看到水中的筷子向右偏，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(xué)家最開始不相信負折射現(xiàn)象的存在。

設(shè)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(yīng)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。控制光的折射方向相當(dāng)于實現(xiàn)了晶體管導(dǎo)通、斷開或高低電位功能。”胡海解釋說。

1951年，我國物理學(xué)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(xué)領(lǐng)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(fù)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(dǎo)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(yīng)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(yīng)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(shè)計）方面尋找出路。”戴慶解釋道，“相比人工結(jié)構(gòu)，聚焦材料自身的光子學(xué)特性是一種更直接獲取光學(xué)功能的途徑。”

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(yīng)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(guān)、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。”戴慶說，“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(guān)效應(yīng)、單向傳輸?shù)裙δ堋！?/p>

為將技術(shù)應(yīng)用于光晶體管設(shè)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(yù)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(guān)論文信息：
https://doi.org/10.1126/science.adf1251

審核編輯 ：李倩