我院在Nature上发表关于二维材料中各向异性极化激元的论文

发布时间:2018-10-25访问量:151设置

由澳大利亚蒙纳士大学鲍桥梁教授(原苏州大学教授)、苏州大学功能纳米与软物质研究院(FUNSOM)李述汤院士、李绍娟博士、马玮良硕士、西班牙奥维耶多大学Pablo Alonso-González教授以及CIC nanoGUNE Rainer Hillenbrand教授合作,以苏州大学(Soochow University)为第一署名单位撰写的论文在20181024日出版的《Nature》杂志上发表(DOI: 10.1038/s41586-018-0618-9)。这是FUNSOM首次在《Nature》这一国际顶级学术期刊上发表论文,也是我校以苏州大学为第一署名单位在《Nature》上发表的第一篇论文。

该工作主要介绍了鲍桥梁教授领导的国际合作团队在面内各向异性和超低损耗声子极化激元研究中取得的重要成果(如图1),该研究发现被压缩的纳米光场在天然的各向异性二维材料α相三氧化钼中会沿着特定的方向传播,并且具有超长的寿命,为构建新型平面光学器件以实现低损耗的信号处理和光热能量管理以及高灵敏的生物化学传感等开辟了新的通道。


1. 各向异性声子极化激元在二维材料α相三氧化钼表面传播示意图

  

未来的信息和通讯技术不仅仅依赖于对电子的操控,而且还得借助纳米尺度下对光的调制。多年来,将光压缩到很小的尺度并进行操控和调制一直是纳米光子学的核心课题。目前,一种比较成功而有效的途径是通过将光与物质耦合形成极化激元。近年来,科学家们发现能够将红外光压缩耦合到二维材料如石墨烯和六方氮化硼中从而形成表面等离子极化激元或声子极化激元。尽管这些极化激元展出许多优异的性质,例如石墨烯中的等离子极化激元可以通过外加电场来实现调控,这些已知的极化激元总是在二维材料表面向四周辐射沿所有方向传播,因此导致能量不集中而被浪费或损耗掉,从而限制了其潜在的应用。如果能够使得这些能量密度极高的极化激元沿着一定的方向以极低的损耗进行传输,就极有希望研发出具有高效光传输功能的微纳光子学器件。

最近,物理学家们预言了极化激元各向异性的传播行为,支持这种光学行为的材料包括人工超结构材料以及晶体结构和电子性质呈现各向异性的二维材料。在这种各向异性的传播中,极化激元的群速率和波长与传播方向密切相关。充分利用这个性质,可以期望实现高度定向传播的极化激元,以类似于纳米尺度束缚射线的形式传递信息和能量,从而在未来的传感、通讯甚至是量子计算等方面大展拳脚。

寻找损耗更低、可以多元化调制的极化激元材料,多年来一直是微纳米光子学领域的重点研究方向之一。人工超构材料被认为是实现功能性光调制的最佳媒介之一,然而因为微纳加工的复杂性、高系统损耗和难以微型化等限制因素,制约了其进一步应用。早在2015年初,苏州大学功能纳米与软物质研究院鲍桥梁教授和李绍娟博士所领导的二维材料光电团队就已经开始了搜寻新型极化激元材料的研究,并在α相三氧化钼纳米薄片中得到第一张声子极化激元传播的近场光学图象(如图2),惊奇地发现该材料中极化激元只沿着特定的晶体方向传播,而且极化激元的波长随样品厚度的变化而改变,最短的波长比激发光波长小60倍。通过与西班牙奥维耶多大学Pablo Alonso-González教授以及CIC nanoGUNE Rainer Hillenbrand教授团队的合作,展开了进一步一系列的实验和理论研究,发现这种各项异性的极化激元还会随着入射光的波长的变化而呈现出不同的传播行为。具体表现为,沿着晶体的不同方向,极化激元的传输是非匀速(椭圆型)甚至可以实现单向(双曲型)传输。这种存在于天然二维材料中的方向及波形可调的极化激元虽在理论中被预言过,此前实验上从未被证实和被观测到。




2. a. 使用散射型近场光学显微镜进行极化激元测试的示意图。b.两种不同激发波长下得到的近场光学显微镜幅度图像。



3. α相三氧化钼圆盘中椭圆型(左上)和双曲型(右上)两种声子极化激元的近场光学幅度图像和绝对值的傅立叶变换结果(下面两组子图)。

  

在此次发表的论文中,该国际合作团队首次通过高分辨的近场光学测试,在实空间中系统研究了天然层状材料α相三氧化钼中椭圆型和双曲型两种新型声子极化激元的各向异性传输特性(如图3)。α相三氧化钼的晶格结构具有独特的面内各向异性,其[001]晶向和[100]晶向的原子层间距的差异高达7.2%。红外光谱学测试发现,α相三氧化钼在800-1000波数范围内存在两个剩余射线带,声子极化激元的传播行为在两个剩余射线带内表现出迥然不同的性质。在低剩余射线带内,α相三氧化钼可以在中红外光激发下产生双曲型声子极化激元,也就是说声子极化激元仅沿着一个方向传播([001]方向),而在另一个晶向([100]方向)的传播完全被抑制。在高剩余射线带内,α相三氧化钼可以在中红外光激发下产生椭圆型声子极化激元,即声子极化激元在[001]晶向和[100]晶向具有不同的波长。特别引人注意的是,这种新型的各向异性声子极化激元具有非常低的传输损耗,室温测量其传播寿命高达8 ±1 ps (在某些样品中测试得到的最长寿命甚至超过20 ps),是低温测试的石墨烯各向同性等离子极化激元最长寿命的10倍,是室温测试的六方氮化硼各向同性声子极化激元最长寿命的4倍以上。

总之,该工作首次成功地实验揭示了在天然材料的平面内各项异性传播的极化激元,并且建立了两种各向异性极化激元的理论模型。这种各向异性极化激元为不断增长的范德华尔斯层状材料极化激元大家庭增加了独特的一员。与外部物理因素如应力、电场栅压调控和光注入载流子等结合,我们有望可以实现各向异性声子极化激元的动态调控,从而为在纳米尺度定向控制光传输和光-物质相互作用提供了一个崭新的途径。

  

物理概念:

声子极化激元是声子与光子耦合的准粒子。当一束光(激发光)照到晶体上,如果光的频率满足一定的条件,它就会跟晶格的振荡发生谐振,并衍生出另外一种波,这种波具有自己的能量。根据量子力学,能量必须是量子化的,而这种由光子和声子耦合形成的新的准粒子就是声子极化激元。作为一种光声耦合的准粒子,极化激元的振动波长往往可以远远小于激发光的波长(低于二分之一个波长),从而可以实现在亚波长的尺寸对电磁波进行调制。由于受限于瑞利判据,依赖传统光学镜片对光进行反射、折射、散射等无法实现极化激元这种对光的调制和操控。这种将光局域化实现微观调控的能力在纳米光学研究中具有重要的意义,可以产生很多新的非常规光学现象,例如负折射、超透镜、波导和增强量子辐射等等。

  

苏州大学FUNSOM介绍:

苏州大学功能纳米与软物质研究院(Institute of Functional Nano & Soft MaterialsFUNSOM)由中国科学院院士、发展中国家科学院院士李述汤教授于20086月领衔组建。研究院现有核心研究人员33名,其中包括中科院院士1人、“长江学者”特聘教授2人、“青年长江学者”2人、国家杰出青年基金获得者4人、优秀青年基金获得者11人、“万人计划”科技创新领军人才4人、“万人计划”青年拔尖人才2人。全部核心研究人员均具有海外或境外研究经历。研究人员承担多项国家重大科研项目,包括国家重点研发计划重点专项项目、“973计划”项目、“863计划”项目、国家自然科学基金重大或重点项目等。截至20189月,已获批国家和地方各类科研、平台项目共 404项,总经费逾6.2 亿元;累计发表论文1563篇,其中IF > 10的论文294篇,在ScienceNature及其子刊上发表论文共20篇。

研究院已投资近2亿元,构建了五大实验平台。以功能纳米材料和软物质为主要研究对象,发展了功能纳米材料、有机光电器件、结构化功能表面与界面、纳米生物医学、材料模拟与材料基因组五大研究方向。研究院的组建翻开了我校材料学、化学、纳米科学等学科及其交叉领域学科建设发展的新篇章。据基本科学指标数据库ESI (Essential Science Indicators) 发布的数据:20175月起,我校材料科学、化学两个学科同时进入全球排名前千分之一;20185月,我校材料科学学科已上升至ESI全球排第50名,国内排名第16名(含研究所在内)。研究院与相关协同单位共同成立的“苏州纳米科技协同创新中心”获批教育部“2011计划”首批14家协同创新中心之一。研究院已获批高等学校学科创新引智基地(国家“111计划”)、两部一省科教结合苏州纳米技术产业创新基地、教育部国际合作联合实验室(碳基功能材料与器件)、科技部创新人才推进计划——创新人才培养示范基地、科技部创新人才推进计划——重点领域创新团队、江苏省碳基功能材料与器件重点实验室、江苏省高校优势学科建设工程等10余项平台。

  

作者介绍:

苏州大学:马玮良、李绍娟(共同第一作者,分别排名第一、第三

                 鲍桥梁(通讯作者,原苏州大学)

国际团队:Pablo Alonso-González(共同第一作者,排名第二;通讯作者)

                 Rainer Hillenbrand通讯作者

  

马玮良,2011-2015年就读于苏州大学物理科学与技术学院物理学专业,并获理学学士学位;2015-2018年就读于苏州大学功能纳米与软物质研究院物理学专业,并获理学硕士学位。攻读硕士期间一直致力于新型二维光电材料的光学性质的研究。

  

李绍娟,2007-2013年就读于北京大学信息科学技术学院,并获博士学位。随后,加入苏州大学功能纳米与软物质研究院,受聘为讲师。自2007年起,先后在北京大学信息科学技术学院、香港科技大学计算机科学及工程系、中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所、苏州大学从事长达近10年的半导体光电器件方面的研究,在半导体器件设计、测试表征、机制分析方面积累了丰富的经验。近年来,李绍娟博士主要致力于以石墨烯为代表的二维材料的光电器件的研究,作为通讯作者和第一作者在ACS NanoAdvanced Functional MaterialsSmall等刊物上先后发表多篇学术论文,其中包括7篇杂志封面论文。在二维材料光电子器件方面获得8项授权发明/实用新型专利。


鲍桥梁,曾任苏州大学功能纳米与软物质研究院(FUNSOM)特聘教授,现任澳大利亚蒙纳士大学材料科学与工程系终身副教授,入选澳大利亚科研委员会“未来奖学金”奖励计划(ARC Future Fellowship),澳大利亚国家卓越研究计划未来低能电子技术中心(ARC COE FLEET核心成员之一。鲍桥梁博士于十年前开始石墨烯光子学和光电子器件的研究,比较有代表性的原创性成果包括基于石墨烯饱和吸收体的脉冲激光器和基于石墨烯的宽波段光偏振器。目前的研究方向主要集中于二维材料的光学特性以及其在光子和光电器件中的应用。在NatureNature Chemistry, Nature Photonics, Nature CommunicationsAdvanced Materials, ACS Nano等高影响力学术期刊上累计发表了170余篇SCI文章,总被引频次超过19000次,H指数为58Google Scholar)。

  

Pablo Alonso-González,西班牙奥耶维多大学教授(Departamento de Física, Universidad de Oviedo, Oviedo, Spain),致力于新型光学材料中的光电性质研究,在石墨烯以及新型二维材料的近场光学特性的研究领域取得了若干高影响力的成果,多篇开创性论文发表在Nature2篇), Science2篇), Nature Photonics, Nature Material, Nature Nanotechnology 等国际顶级学术期刊。

  

Rainer Hillenbrand,西班牙nanoGUNE研究中心光学方向的学科带头人,他是目前最成熟的散射式近场光学显微镜(NeaSpec SNOM)的发明人之一,极大的推动了纳米光学的发展。Rainer教授在近场纳米尺度光学和光子学研究具有深厚的造诣,已在Nature, Science Nature Photonics等著名期刊上发表论文逾100篇。在工业应用领域Rainer教授致力于新型扫描探针显微镜的开发研究,目前已经成功实现多功能耦合并且高度集成的近场光学显微镜系统。

  

文章信息:

文章题目:In-plane anisotropic and ultra-low-loss polaritons in a natural van der Waals crystal

Weiliang Ma#, Pablo Alonso-González#*, Shaojuan Li#, Alexey Y. Nikitin, Jian Yuan, Javier Martín-Sánchez, Javier Taboada-Gutiérrez, Iban Amenabar, Peining Li, Saül Vélez, Christopher Tollan, Zhigao Dai, Yupeng Zhang, Sharath Sriram, Kourosh Kalantar-Zadeh, Shuit-Tong Lee, Rainer Hillenbrand* & Qiaoliang Bao*

DOI: 10.1038/s41586-018-0618-9

Published: 24 October 2018

 

文章链接:https://www.nature.com/articles/s41586-018-0618-9

文章只读PDF全文链接:https://rdcu.be/9ZnA

  


责任编辑:向丹婷


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