轉(zhuǎn)角范德華材料所展現(xiàn)的一系列非凡物理特性，包括但不限于其超導性、分形量子、霍爾效應(yīng)和納米級光子晶體結(jié)構(gòu)，為光子在納米尺度上的傳播調(diào)控提供了潛在的抓手。所謂轉(zhuǎn)角范德華材料，一般是指將兩層或多層各向異性二維材料進行堆疊并保持一定轉(zhuǎn)角，由此可以觀測到光場能量沿著特定方向低損耗且無衍射地傳播。
截至到目前，盡管很多轉(zhuǎn)角材料，如雙層石墨烯，三層石墨烯和對雙層石墨烯等，都在各種研究中展現(xiàn)出了有趣的物理特性，但具體到上述轉(zhuǎn)角傳播特性，雙層α-MoO3是較為優(yōu)秀的。不過，這種雙層結(jié)構(gòu)也具有巨大的局限性：即兩層材料間只存在一個轉(zhuǎn)角值。也就是說，這種材料的光子傳播方向和激發(fā)所需的頻率已經(jīng)被轉(zhuǎn)角值和材料厚度鎖死了，無法借此生成全角度可調(diào)的器件。
為此，研究者利用自主搭建的微操控平臺，生成了基于雙層α-MoO3的三層α-MoO3。因其兩兩材料之間的轉(zhuǎn)角值可以進行精確控制，材料生成的靈活性有了顯著提高。在此基礎(chǔ)上，研究人員基于二維模型，考慮了材料厚度與空氣層的存在，建立了更加普適的理論模型。通過計算三層轉(zhuǎn)角α-MoO3體系中極化激元等頻線，得出了通過改變?nèi)龑应?MoO3晶體轉(zhuǎn)角，理論上可以實現(xiàn)納米紅外光場低損耗、無衍射傳播的面內(nèi)全角度調(diào)控（0-360°）的結(jié)論，且這種結(jié)論是在寬光譜頻率下有效的。就此，研究的重點落在上述結(jié)論的實驗證明。
（1）光子極化激元傳播的全角度可調(diào)
研究者通過組合不同層材料之間的轉(zhuǎn)角值，獲得了各種角度的光子低損耗無衍射傳播。這種傳播是通過Neaspec 10 nm 超高分辨散射式近場光學顯微鏡-neaSNOM觀測的。氧化鉬表面的金納米天線可以有效的聚焦紅外光，從而激發(fā)極化激元。通過針尖散射，設(shè)備收集到了信噪比非常高的光學振幅信號。該信號的成像在納米尺度上反映了極化激元的傳播方向。
超高分辨散射式近場光學顯微鏡-neaSNOM
下圖中，作者展示了θ1-2=30°, θ1-3 =-90°，θ1-2=30°, θ1-3 =-90°，θ1-2=30°, θ1-3 =-40°時的光學振幅成像?？梢园l(fā)現(xiàn)，極化激元在以上三種堆疊角度下分別呈140°，80°和50°傳播。這與模型預(yù)測的值十分接近。通過組合不同堆疊角度并利用超高分辨散射式近場光學顯微鏡-neaSNOM順利可視化地驗證了所有轉(zhuǎn)播角度的可調(diào)性。
（2）光子極化激元傳播的寬光頻譜特性
研究者表示三層α-MoO3不但具有全角度可調(diào)性，還對激發(fā)光源的頻率適配性更強，可以使用的頻譜更寬。該特性的驗證依然借助了超高分辨散射式近場光學顯微鏡-neaSNOM，通過使用不同頻率的激發(fā)光源聚焦針尖并收集散射的信號，研究者可以獲得納米尺度高信噪比的光子極化激元對應(yīng)不同激發(fā)頻率的傳播成像。
下圖中，研究者使用波數(shù)為901 cm-1，909 cm-1，917 cm-1，和930 cm-1的激發(fā)光源分別生成極化激元。結(jié)果顯示，在材料結(jié)構(gòu)固定的情況下，所有極化激元的傳播角度都維持在了50°，很好地驗證并展示了材料的寬光譜特性。而超高分辨散射式近場光學顯微鏡-neaSNOM所配備的高波數(shù)分辨率中紅外激光器，也為不同波數(shù)下的成像研究提供了先決條件。
綜上，研究者通過生成三層α-MoO3結(jié)構(gòu)，彌補了雙層α-MoO3中存在的不足，使得極化激元的全角度可調(diào)以及寬光譜適配性成為了可能。有助于推動“轉(zhuǎn)角光子學"在光信息傳輸、納米成像、集成光子電路、光熱轉(zhuǎn)換等多領(lǐng)域的應(yīng)用。
參考文獻：
[1]. Duan, J., álvarez-Pérez, G., Lanza, C. et al. Multiple and spectrally robust photonic magic angles in reconfigurable α-MoO3 trilayers. Nat. Mater. (2023).
更新時間：2024-02-27
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