納米尺度的光電融合是未來高性能信息器件發(fā)展的必然趨勢。如何在微納甚至原子尺度對光進行精準操控,，是其中最關(guān)鍵的科學(xué)問題,。

中國科學(xué)院國家納米科學(xué)中心納米光子室的科研人員率先提出利用極化激元作為光電互聯(lián)媒介的新思路，發(fā)揮其對光高壓縮和易調(diào)控的優(yōu)勢,，并有了切實可行的研究結(jié)果,。

近日，該團隊與合作者發(fā)現(xiàn)低對稱晶體中極化激元“軸色散”效應(yīng),，并提出異質(zhì)結(jié)調(diào)控極化激元新機制。在此基礎(chǔ)上,，他們設(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。利用這一功能,，未來有望像操縱電子一樣操縱光子,，為高性能光電融合的發(fā)展作出重要鋪墊。

1,、新奇的“負折射”

“這項研究中,，我們通過材料設(shè)計實現(xiàn)了光正負折射的動態(tài)調(diào)控，為構(gòu)筑與非門等光邏輯單元提供了重要基礎(chǔ),?！痹搱F隊負責人、國家納米科學(xué)中心研究員戴慶告訴筆者,，“這意味著,，人們可以在光電互聯(lián)設(shè)計中實現(xiàn)類似晶體管的功能?！?/p>

向水杯中插根筷子,，看起來筷子似乎被“折斷”了，但這實際上是光的折射帶來的視覺效果,。光的折射遵循折射定律,，即光穿過不同界面產(chǎn)生折射時，入射光和折射光會對稱分布在法線兩側(cè),。而負折射是入射光與折射光在界面法線同側(cè)的特殊物理現(xiàn)象,。

“我們可以將正折射理解為‘正常的折射’（符合折射定律）,。如果正折射時光線向右偏折，負折射就是向左偏折,?！闭撐牡谝蛔髡摺壹{米科學(xué)中心副研究員胡海解釋說,，“比如,，我們通常看到水中的筷子向右偏,，發(fā)生負折射時就會看到筷子偏向左邊,。”

光線向哪個方向折射由傳播介質(zhì)的材料性質(zhì)決定,。在自然界中,，找到能產(chǎn)生負折射現(xiàn)象的材料絕非易事，這也令一些科學(xué)家最開始不相信負折射現(xiàn)象的存在,。

2,、設(shè)計“高端食材”

與電子相比，光子具有速度快,、能耗低,、容量高等諸多優(yōu)勢，未來有望大幅提升信息處理能力,。而光電融合系統(tǒng)被認為是構(gòu)建下一代高效率,、高集成度、低能耗信息器件的重要方向,。但現(xiàn)有光電互聯(lián)技術(shù)依賴多次光電效應(yīng)轉(zhuǎn)換,，存在效率低、速度慢,、體積大等問題,。此外，和電子相比,，光子的納米尺度操控并不容易,。

“控制光的折射方向——從左邊穿過、右邊穿過還是兩邊同時穿過,，就像晶體管實現(xiàn)高低（1,0）兩個電位的切換一樣,。控制光的折射方向相當于實現(xiàn)了晶體管導(dǎo)通,、斷開或高低電位功能,。”胡海解釋說。

1951年,，我國物理學(xué)家黃昆先生提出“極化激元”概念,。極化激元是光與物質(zhì)相互耦合形成的一種特殊電磁模式，可以實現(xiàn)高度光場壓縮與能量聚集,，因此成為納米光子學(xué)領(lǐng)域的重要研究對象,。

但極化激元攜帶光子屬性，人們難以對其實現(xiàn)有效調(diào)控,。此前的調(diào)控方式是,，以微納尺度的人工周期性結(jié)構(gòu)（多種微結(jié)構(gòu)堆疊排列）造出“超材料”，利用結(jié)構(gòu)特性實現(xiàn)光偏折,。這種方法需要進行復(fù)雜的結(jié)構(gòu)加工,，對材料和工藝的要求都很高，而在納米尺度上實現(xiàn)的難度更大,。并且,，光在結(jié)構(gòu)內(nèi)部穿過成百上千個界面，會出現(xiàn)難以避免的散射損耗,。

“這些問題導(dǎo)致超材料技術(shù)雖然驗證了負折射現(xiàn)象的存在,，卻未能進一步應(yīng)用在實際器件中?！焙Ｕf,。

為解決這些問題，團隊進行了大量研究,。在無數(shù)次理論推演和實驗驗證后，團隊認為應(yīng)該換個思路,，把問題簡單化,，回到材料本身的屬性上尋找解決方案。

“就像《舌尖上的中國》所說,，高端的食材往往只需要最樸素的烹飪方式,。與其在廚藝（結(jié)構(gòu)排列和加工工藝）上用力，不如從食材（材料設(shè)計）方面尋找出路,?！贝鲬c解釋道，“相比人工結(jié)構(gòu),，聚焦材料自身的光子學(xué)特性是一種更直接獲取光學(xué)功能的途徑,。”

沿著這一方向,，研究團隊提出利用范德華材料極化激元構(gòu)筑納米至原子尺度的光電互聯(lián)新方案,。該方案充分發(fā)揮極化激元對光高壓縮和易調(diào)控的優(yōu)勢，避免原有光電效應(yīng)引起的問題。未來,，這種極化激元新機制不僅能更好實現(xiàn)光電互聯(lián),，還可以提供額外的信息處理能力，從而進一步提升光電融合器件的性能,。

3,、嶄新的光操控平臺

無論大數(shù)據(jù)、云計算還是元宇宙,，我們身處的這個“炫酷”信息世界,，其實是通過開關(guān)、放大,、濾波,、信號調(diào)制等數(shù)個基本晶體管功能組合疊加實現(xiàn)的。

“如果可以像操縱電子一樣操縱光子,，就能夠為高性能光電融合的發(fā)展作出重要鋪墊,。”戴慶說,，“目前,，我們可以控制光傳不傳、向哪個方向傳,，這些特性類似晶體管的開關(guān)效應(yīng),、單向傳輸?shù)裙δ堋,！?/p>

為將技術(shù)應(yīng)用于光晶體管設(shè)計,，研究人員把目光鎖定在石墨烯和一種氧化物上。這些都是納米至單原子級厚度的層狀材料,，且兩個材料間有互補的光電性質(zhì),，有望實現(xiàn)預(yù)期的折射效果，還能把“控制結(jié)構(gòu)”做得盡可能小,。

人們能看見一個物體的原因是物體發(fā)光或反光進入眼中,，而負折射可以改變光的傳播方向。研究者認為,，如果利用該技術(shù)改變原本射入人眼的光的路線,，就能在一定條件下實現(xiàn)隱身效果。

論文審稿人評價說：“這是一項非常有趣的研究,，證實了一個非常規(guī)的物理現(xiàn)象,，為研究納米尺度的光操控提供了嶄新平臺?！?/p>