Science | 电调谐石墨烯器件“控制”太赫兹波

撰稿 | 荷塘月（清华大学，博士后）

理解和控制光-物质相互作用对于包括传感、成像、信息处理和计算等等在内的诸多应用都有重大意义。因此，科学家们一直希望能够高效调节光与物质的相互作用的强弱。二者之间主要的差异是，在强相互作用中，光和物质甚至能影响彼此的组成；而在弱相互作用中则不然。

最近，由英国曼彻斯特大学和美国宾夕法尼亚州立大学共同领导的一支国际团队设计了一个基于石墨烯的器件，能够通过电位控制太赫兹光与有机晶体之间相互作用的强弱，从而细致地研究奇异点的拓扑性质。这一发现可能有助于开发用于“超五代(Beyond 5G, B5G) ”通信网络技术（拓展阅读：《B5G关键技术与发展愿景》）。

相关研究以 Topological engineering of terahertz light using electrically tunable exceptional point singularities为题发表在 Science。

图1：控制太赫兹光谱中光与物质相互作用的新型石墨烯平台的艺术效果图
图源：Pietro Steiner / 英国曼彻斯特大学

奇异点：光-物质相互作用研究的热门

在对光-物质相互作用的研究中，光通常被描述为受限在谐振器内的电磁波；而物质则是与之耦合的振荡器。调节它们之间相互作用的强弱最简单的方式之一是改变振荡器的数量，例如有机晶体的大小。这足够简单，但并不实用，更重要的是往往难以做到精准和可逆。另一种实现方式则是调节光与物质之间的耦合的强度以及损耗不平衡。这不可避免的导致奇异点（exceptional points, EPs），一种非厄米简并。

在前一种方式中，系统的能量守恒，属于孤立系统，其哈密顿量是厄米的，所以本征能量是实数。而一旦系统与外界有能量交换，就成为开放系统，其哈密顿量变成非厄密的，本征能值就是复数。对于有些具有宇称时间对称的非厄密哈密顿量，所有的本征能值也可以是实数。在宇称时间对称非破缺与破缺的转换点，不但本征能值简并，而且本征能态也简并，该点被称为奇异点。

奇异点和厄米系统中被称为恶魔点（diabolic points）的简并有着本质不同。在恶魔点上，系统的本征值合并但对应的本征态仍然处于正交状态。相反的，在奇异点上，本征态和本征向量同时合并，显著改变了系统的能级相图，进而导致系统的维度降低以及拓扑性质的扭曲。

这提升了系统对微扰的响应，同时，对局部的态密度的改变提升了自发辐射的速率，由此产生了一系列反常的性质，例如损耗诱导激光、拓扑能量转移、增强手性吸收、激光带宽提升、环状激光中的单向发射以及非对称的模式转换。

近年来，围绕奇异点的这些新奇的现象吸引了大量关注，研究者们通过不同方式构建了具有奇异点的系统。但此前的研究中，奇异点的参量空间通常都是通过构建具有不同几何参量的样品再进行测量获得的。

在这项新的研究中，研究人员巧妙的构造了一个能够通过电压精准调节太赫兹光的耗散不平衡和频率失谐的装置，准确控制系统的状态，绘制出奇异点附近的黎曼面，并深入研究相关的拓扑性质。

关键器件：如何用电压调节谐振器的损耗和频率

研究人员设计的是一个基于石墨烯的太赫兹谐振器（图2）。它底部的门控电极（在 Kapton 薄膜上蒸镀 100 nm 厚的金原子）和顶部的石墨烯层既是电极，也作为反射镜。在两个电极之间充满了作为电解质的离子液体，以通过改变电压 V₁ 来调节石墨烯对太赫兹光的反射能力，从而调节谐振器的损耗；门控电极放置于一个压电控制的台面上，因而可以通过改变电压 V₂ 来调节腔体的高度，也即调节共振频率。至于振荡器，研究人员选择的是乳糖晶体，因为它能产生峰宽很窄的太赫兹信号，同时阻尼率低。

图2：用电位调控奇异点的器件
图源：SCIENCE, Vol 376, Issue 6589, pp. 184-188

研究人员首先证实可以通过改变两个电压独立地对谐振器的损耗和频率进行调节（图3D和3E）。结果表明，电压 V₁ 和 V₂分别在 0V 到 1V 之间调节时，频率失谐和耗散不平衡可调节的幅度分别达到 ±25 GHz 和 100 GHz。

图3：通过改变两个电压独立地对谐振器的损耗和频率
图源：SCIENCE, Vol 376, Issue 6589, pp. 184-188

奇异点的构建和拓扑性质研究

他们首先调节 V₂ 以让耦合系统达到共振态，随后改变 V₁，可以看到在 V₁ 为 ±0.2V 时，反射频率出现分支（图4），并且奇异点附近伴随着反射频率信号从分裂模态（对应弱相互作用）到合并模态（对应强相互作用）的转变。

图3：在共振态改变 V₁，观察到奇异点
图源：SCIENCE, Vol 376, Issue 6589, pp. 184-188

随后，研究人员对奇异点的拓扑性质进行了研究。他们首先发现反射光谱中几何相位有特殊的变化，并最终归结于卷绕数的差异。更有趣的是，由于能用电压简便精确地调节系统的状态，他们仔细研究了系统在做绝热环绕后本征态的值和环绕路径有很大的关系：当环绕路径不包含奇异点时，本系统环绕一圈后就回复到初始状态；但当环绕路径包括奇异点时，环绕一圈将出现本征态交换，需要环绕第二圈才能回到初始位置。

图4：通过电位调控实现两种不同的环绕奇异点的方式
图源：SCIENCE, Vol 376, Issue 6589, pp. 184-188

在本论文中，研究人员展示了一种控制太赫兹波的方法，这项工作可以推进光电技术，使它们能够更好地产生、控制和感知光，并有可能改善通信技术。

论文信息

Topological engineering of terahertz light using electrically tuneable exceptional point singularities, Science (2022).

https://www.science.org/doi/10.1126/science.abn6528

封面图来源：Pietro Steiner / 英国曼彻斯特大学