【儀表網(wǎng) 儀表研發(fā)】納米尺度的光電融合是未來高性能信息器件的重要發(fā)展路線。如何在微納甚至原子尺度對光進行精準(zhǔn)操控是其中的關(guān)鍵的科學(xué)問題。中國科學(xué)院國家納米科學(xué)中心研究員戴慶研究團隊率先提出利用極化激元作為光電互聯(lián)媒介的新思路，充分發(fā)揮它對光的高壓縮和易調(diào)控優(yōu)勢，不僅有望實現(xiàn)高效光電互聯(lián)，而且可以提供額外的信息處理能力，從而進一步提升光電融合系統(tǒng)的性能。
 

　　該團隊通過十多年的努力，實現(xiàn)了極化激元的高效激發(fā)和長程傳輸。在此基礎(chǔ)上，研究設(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。研究表明該晶體管可實現(xiàn)光正負(fù)折射的動態(tài)調(diào)控，類似電子晶體管能切換(1,0)兩個高低電位，為構(gòu)筑與非門等光邏輯單元奠定了重要基礎(chǔ)。該研究充分發(fā)揮了不同材料的納米光子學(xué)特性，從而突破了傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)光學(xué)方案如使用人工結(jié)構(gòu)(超材料和光子晶體等)在波段、損耗、壓縮和調(diào)控等方面的性能瓶頸。
 

　　與電子相比，光子具有速度快、能耗低、容量高等優(yōu)勢，被寄予未來大幅提升信息處理能力的厚望。因此，光電融合系統(tǒng)被認(rèn)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。光電互聯(lián)(電-光-電轉(zhuǎn)換)是光電融合主的基礎(chǔ)，相當(dāng)于光電兩條高速公路交匯的收費站。而現(xiàn)有硅基光電集成方案存在效率低(依賴多次光電效應(yīng))、體積大(光模塊無法突破衍射極限)等問題，制約光電器件之間的信息流轉(zhuǎn)。然而，光子不攜帶電荷且光的傳輸受限于光學(xué)衍射極限，相比于能輕易通過電學(xué)調(diào)控的電子，對光子的納米尺度局域和操控并不容易。
 

　　極化激元是一種由入射光與材料表界面相互作用形成的特殊電磁模式(表面波)。它具有優(yōu)異的光場壓縮能力，可輕易突破光學(xué)衍射極限從而實現(xiàn)納米尺度上光信息的傳輸和處理。
 

　　戴慶團隊以攻克高速光電互聯(lián)這一世界技術(shù)難題為目標(biāo)，提出以納米材料的表面波(極化激元)為媒介，實現(xiàn)高效光電互聯(lián)的新思路。構(gòu)筑光-極化激元-電轉(zhuǎn)換路徑相當(dāng)于將高速公路的收費站改造成立交橋，具有顯著優(yōu)勢：一是效率高，光/電激發(fā)材料表面波的效率相比光電效應(yīng)提升潛力巨大；二是集成度高，光波轉(zhuǎn)化成材料表面波可將波長壓縮百倍輕松突破衍射極限，從而顯著提升光模塊集成度；三是算力強，材料表面波具有光子性質(zhì)可進行高效并行計算，從而將現(xiàn)有光電融合的“光傳輸、電計算”拓展成為“光傳輸、電計算+光計算”，實現(xiàn)“1+1>2”的效果。
 

　　戴慶提出，我們利用電學(xué)柵壓對極化激元這種光波的折射行為實現(xiàn)了動態(tài)調(diào)控，使其從常規(guī)的正折射轉(zhuǎn)變到奇異的負(fù)折射。這好比可以像操縱電子一樣操縱光子，為將來高性能光電融合器件與系統(tǒng)的發(fā)展提供重要促進作用。這一研究在應(yīng)用上面向光電融合器件大規(guī)模集成缺乏高效、緊湊光電互聯(lián)方式的重大需求，在科學(xué)上為解決突破衍射極限下高效光電調(diào)制的難題提供了新思路。
 

　　2月10日，相關(guān)研究成果以Gate-tunable negative refraction of mid-infrared polaritons為題，發(fā)表在《科學(xué)》(Science)上。該論文審稿人評價道，這證實了一項非常規(guī)的物理現(xiàn)象，為研究納米尺度的光操控提供了嶄新的平臺。
 

　　圖示極化激元晶體管的基本原理，通過在氧化鉬上覆蓋石墨烯構(gòu)筑范德華異質(zhì)結(jié)，天線激發(fā)極化激元傳輸穿過界面后形成負(fù)折射。
 

極化激元晶體管的光學(xué)顯微鏡照片