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日前，北京理工大學(xué)物理學(xué)院姚裕貴教授、王沖特別研究員，以及復(fù)旦大學(xué)物理系的晏湖根教授和新加坡國(guó)立大學(xué)的仇成偉教授合作，共同揭示了操控雙層薄膜中的極化激元的光學(xué)拓?fù)湫缘男聶C(jī)制。相關(guān)研究題目為《扭轉(zhuǎn)角度和膜厚比調(diào)控雙層范德瓦爾茲薄膜中的極化激元》（Twist-Angle and Thickness-Ratio Tuning of Plasmon Polaritons in Twisted Bilayer van der Waals Films），成果被發(fā)表在《納米快報(bào)》（Nano Letters）上。

近年來(lái)，具有定向傳播特性、高光場(chǎng)局域性和超高態(tài)密度的雙曲型等離激元模式受到人們廣泛關(guān)注，并在等離激元傳播和操控、納米尺度成像、負(fù)折射率和自發(fā)輻射調(diào)控等方面有廣泛的應(yīng)用前景。近期，基于各向異性二維材料的天然雙曲表面由于擺脫了微納結(jié)構(gòu)限制，具有更高的光場(chǎng)局域性和光子態(tài)密度，成為當(dāng)前研究的重點(diǎn)方向。通過(guò)調(diào)控雙曲區(qū)間的頻率范圍，可以實(shí)現(xiàn)極化激元拓?fù)湫詮臋E圓到雙曲的拓?fù)湎嘧儯瑫r(shí)對(duì)應(yīng)了極化激元光場(chǎng)局域能力和態(tài)密度的改變。因此，實(shí)現(xiàn)雙曲等離激元調(diào)控對(duì)于光束傳播操控、自發(fā)輻射和熱輻射的可控調(diào)制具有重要意義。

構(gòu)造二維材料雙層轉(zhuǎn)角結(jié)構(gòu)為調(diào)控天然雙曲極化激元提供了一種重要方法。通過(guò)改變兩層各向異性二維材料之間的轉(zhuǎn)角，可以實(shí)現(xiàn)從雙曲到橢圓拓?fù)湫缘恼{(diào)控。然而，一方面，雙層轉(zhuǎn)角結(jié)構(gòu)中極化激元拓?fù)湫缘恼{(diào)控機(jī)理還需進(jìn)一步研究；另一方面，該結(jié)構(gòu)中另一個(gè)重要的自由度——“兩層材料的厚度比”，對(duì)極化激元拓?fù)湫缘恼{(diào)控能力仍然不清楚。

針對(duì)以上問(wèn)題，研究人員選擇最近發(fā)現(xiàn)的天然雙曲等離激元材料WTe₂作為研究對(duì)象，并制作了雙層轉(zhuǎn)角結(jié)構(gòu)。通過(guò)改變旋轉(zhuǎn)角度（Twist Angle）和薄膜厚度比（Thickness Ratio），研究人員詳細(xì)研究了雙層結(jié)構(gòu)中天然雙曲區(qū)間頻率的變化。研究團(tuán)隊(duì)分析了非圖案化薄膜的消光光譜，并對(duì)斜帶狀陣列中等離子體極化激元強(qiáng)度的偏振依賴(lài)性進(jìn)行了細(xì)致研究。兩種探測(cè)方法均表明，通過(guò)改變薄膜厚度比和雙層旋轉(zhuǎn)角，可以實(shí)現(xiàn)極化激元拓?fù)湫詮碾p曲區(qū)間向橢圓區(qū)間的轉(zhuǎn)變。研究表明，這種調(diào)控的關(guān)鍵在于雙曲薄膜整體表現(xiàn)的表面光學(xué)導(dǎo)電率，可以通過(guò)將兩個(gè)薄膜的光學(xué)導(dǎo)電率值相加得到。這種方法為所觀察到的膜厚比和扭轉(zhuǎn)角度可調(diào)拓?fù)滢D(zhuǎn)變提供了明確且一致的解釋。

姚裕貴團(tuán)隊(duì)的王沖特別研究員與復(fù)旦大學(xué)博士生謝元鋼為文章的共同第一作者。姚裕貴教授、晏湖根教授及仇成偉教授為通訊作者。北京理工大學(xué)為文章第一單位。該工作得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃和國(guó)家自然科學(xué)基金委的資助。

圖1 WTe₂雙層薄膜結(jié)構(gòu)雙曲區(qū)間隨薄膜厚度比和扭轉(zhuǎn)角度依賴(lài)關(guān)系。

圖2 雙層薄膜結(jié)構(gòu)兩個(gè)方向電導(dǎo)率虛部比值隨薄膜厚度比和扭轉(zhuǎn)角度依賴(lài)關(guān)系。實(shí)線為雙層電導(dǎo)率相加模型擬合結(jié)果。

文章鏈接： https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.3c01472