中国科学家这项纳米尺度光操控重要突破

极化激元“晶体管”的基本原理示意图。　国家纳米科学中心供图

(资料图片仅供参考)

中国科学家这项纳米尺度光操控重要突破有望实现高效光电互联

中新网北京2月10日电 (记者孙自法)纳米尺度的光电融合是未来高性能信息器件发展的重要路线，如何在微纳甚至原子尺度对光进行精准操控则是其中最关键的科学问题。

来自中国科学院(中科院)的最新消息说，国家纳米科学中心戴庆研究团队为解决该关键科学问题实现了重要突破，他们在提出新思路、发现新模式、建立新机制的基础上，成功创制极化激元“晶体管”，可显著提升纳米尺度光操控能力，并有望实现高效光电互联，进一步提升光电融合系统性能。

相关研究成果北京时间2月10日凌晨在线发表于国际著名学术期刊《科学》(Science)上。论文审稿人评价说，这项非常有趣的研究，证实了一项非常规的物理现象，为研究纳米尺度的光操控提供了崭新的平台。

极化激元“晶体管”的光学显微镜照片。　国家纳米科学中心供图

为什么是光子？

戴庆研究员介绍说，与电子相比，光子具有速度快、能耗低、容量高等诸多优势，被寄予未来大幅提升信息处理能力的厚望。因此，光电融合系统被认为是构建下一代高效率、高集成度、低能耗信息器件的重要方向。

光电融合基于光电互联(电-光-电转换)原理，充分发挥光传输、电计算的优势，有望解决现有光电互联技术效率低、速度慢、体积大等问题，从而进一步提升光电融合器件的性能。然而，光子不携带电荷且光的传输受限于光学衍射极限，相比于能轻易通过电学调控的电子，对光子的纳米尺度局域和操控并不容易。

“光电互联是光电融合的重要基础，它相当于光电两条高速公路交汇的收费站，而构筑极化激元光电互联相当于将原来的收费站改造成立交桥，从而能够大幅增加通道和提升信息处理的速度。”戴庆解释说，利用简便的层状材料堆叠，便可以实现奇异的光学调控功能。

有哪些重要突破？

此次研究过程中，中国科学家团队率先提出利用极化激元作为光电互联媒介的新思路，近期发现低对称晶体中的新型极化激元模式，又提出并建立层状材料堆叠调控极化激元的重要机制。

该团队通过十多年不懈努力，实现极化激元的高效激发和长程传输。在此基础上，他们设计并构筑微纳尺度的石墨烯/氧化钼两种异质材料的堆叠结构，实现用一种极化激元调控另一种极化激元开关的“晶体管”功能。该晶体管可实现光从常规正折射到负折射的动态调控，为构筑与非门等光逻辑单元提供重要基础。

这项研究充分发挥不同材料的纳米光子学特性，从而突破了传统结构光学方案如使用人工结构(超材料和光子晶体等)在波段、损耗、压缩和调控等多个方面的性能瓶颈。

戴庆指出，科研团队在基础研究方向瞄准“如何突破光学衍射极限”这一科学问题，在关键核心技术上以攻克高速光电互联这一世界技术难题为目标，提出利用范德华层状材料极化激元构筑纳米至原子尺度的光电互联新方案。

该方案充分发挥极化激元对光的高压缩和易调控优势，避免原有光电效应引起的问题。极化激元不仅有望实现高效光电互联，还可以提供额外的信息处理能力，从而进一步提升光电融合器件的性能。

什么是极化激元？

作为本次研究突破的主体，极化激元是什么呢？

论文第一作者、国家纳米科学中心副研究员胡海解读称，极化激元是一种由入射光与材料表界面相互作用形成的特殊电磁模式，也可以认为是一种光子与物质耦合形成的准粒子。它具有优异的光场压缩能力，可以轻易突破光学衍射极限从而实现纳米尺度上光信息的传输和处理。

戴庆表示，科研团队利用电学栅压对极化激元这种光波的折射行为实现了动态调控，使其从常规的正折射转变到奇异的负折射。“这就好比可以像操纵电子一样操纵光子，从而为将来高性能光电融合器件与系统的发展提供重要促进作用”。

研究团队认为，这项研究在应用上面向光电融合器件走向大规模集成缺乏高效、紧凑光电互联方式的重大需求，在科学上为解决突破衍射极限下高效光电调制的难题提供新思路。(完)