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[材料资讯] 鲍桥梁Nature:把光关进笼子

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发表于 2018-10-25 15:20:13 | 显示全部楼层 |阅读模式
研究亮点:
1. 发现天然范德华晶体MoO3在具有面内双曲性。
2. 利用面内双曲性实现光的限域,助力光学器件的微型化。
自然界中许多晶体材料都表现出双折射行为,在不同的方向,折射率不尽相同。利用这一现象,可以实现对入射光的操纵。由于晶体尺寸和入射光波长以及双折射强度成比例关系,3-300 μm区域的中远红外光往往需要几个厘米厚的晶体才能实现,这无疑限制了光学器件的微型化趋势。
如何解决这一问题呢?双折射材料中有一种极端形式:双曲性材料。常规材料光折射轴一个在面内,一个在面外;而双曲性材料折射光的两个垂直轴在同一面内。这一特性使得光学元件尺寸可以变得超薄,而且可以使光限域在不足百分之一波长的极小范围内。
有鉴于此,苏州大学鲍桥梁团队与西班牙奥维耶多大学Pablo Alonso-González、西班牙巴斯克科学基金会RainerHillenbrand团队合作,在天然范德华晶体α-MoO3中发现并操纵了面内各向异性的红外极化现象。

操纵红外极化

操纵红外极化
图1. 操纵红外极化
双曲性光学材料溯源
长期以来,人们都以为双曲性只存在于人工晶体材料中。直到2014年,科学家在六方氮化硼天然材料中发现了双曲线。研究表明,这是由于晶格以高度各向异性的方式共振所导致,这些光子具有更长的寿命,抑制了材料对光的吸收。
自从氮化硼以来,一大批天然双曲性材料相继被开发,包括MoO3。
本文特色
本文研究团队发现MoO3在8-14 μm波长区间具有面内各向异性双曲性,并利用该性能将光限域在比其波长更小的区间,形成光-物质激发的双曲性光子。这种光子最高寿命可达到20 ps,是六方氮化硼所报道最高值的10倍。
总之,这项研究再一次证明,自然界比我们想象的要更加强大。纳米光学的未来不仅仅是人工高性能材料,天然材料或许将发挥更多作用!
参考文献:
Weiliang Ma, Pablo Alonso-González, ShaojuanLi, Rainer Hillenbrand, Qiaoliang Bao et al.In-plane anisotropic andultra-low-loss polaritons in a natural van der Waals crystal. Nature 2018.
https://www.nature.com/articles/s41586-018-0618-9




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 楼主| 发表于 2018-10-25 20:45:46 | 显示全部楼层
由苏州大学纳米科学技术学院李述汤院士、澳大利亚蒙纳士大学鲍桥梁教授(原苏州大学教授)、苏州大学李绍娟博士、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 2018 年 10 月 24 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,是 FUNSOM 研究院成立十周年以来的又一重要科研突破。
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。

各向异性声子极化激元在二维材料.jpg
图 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现出许多优异的性质,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。

使用散射型近场光学显微镜进行极化激元测试的示意图.jpg "
图 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。

α 相三氧化钼

α 相三氧化钼
"
图 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 ( 即 [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。

作者介绍:

第一作者:马玮良, Pablo Alonso-González ,李绍娟

通讯作者: Pablo Alonso-González , Rainer Hillenbrand , Qiaoliang Bao (鲍桥梁)

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 Nature , Nature Chemistry, Nature Photonics, Nature Communications , Advanced 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 58 ( Google Scholar )。

Pablo Alonso-González ,西班牙奥耶维多大学教授( Departamento de F í sica, 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 Nature ( 2 篇) , Science ( 2 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 和 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。

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