据悉，希腊国家研究基金会理论与物理化学研究所、希腊比雷埃夫斯大学科研人员研究报道用纳米结构石墨烯实现对光学手性的超快全光学控制。相关研究以“Ultrafast All-Optical Control of Light Chirality with Nanostructured Graphene”为题发表在《Advanced Optical Materials》上。
超快纳米光子学是一个快速发展的研究领域，其研究重点是创造前所未有的速度调制光特性的纳米器件。为了促进这一领域的发展，人们越来越需要紧凑型超材料设计来操纵光的振幅、相位和偏振。一种很有前景的策略是利用纳米结构材料的光学非线性，通过与高强度超短激光脉冲相互作用来改变其介电常数。
本研究展示了如何利用二维材料，尤其是石墨烯来满足这种要求。通过对石墨烯纳米矩阵的非线性光学响应进行理论建模，实现了对光学手性的全光学、全可逆、宽带和超快动态控制。这是通过利用超表面相干激发局域等离子体的能量弛豫动力学以及石墨烯中电子温度的瞬时升高来实现的。利用时域有限差分模拟，演示了圆偏振光和线性偏振光之间的超快动态调谐。所提出的平台为超薄、与CMOS兼容的纳米光子系统带来了希望，该系统可提供光偏振的高速室温调制。
图 1：电子温度为300K和800K时石墨烯超表面和性能的模态分析。
图 2：电子温度在300K和1200K之间变化时超表面的反射和反射光的偏振态。
图 3：在泵浦脉冲强度为F = 4.44µJ cm-2和3.3 ps FWHM的泵浦探针装置中对超表面光学特性进行全光超快调谐。
总之，通过时域有限差分模拟，探索出了一种原子级薄的超表面，它为全光超快、完全可逆、宽带和动态控制光学手性提供了一个多功能平台。通过利用相干激发局域等离子体的能量弛豫动力学以及超表面和泵脉冲促进的电子温度瞬时升高，实现了对反射光的完全超快偏振控制，从线性偏振光到圆偏振光，所有偏振控制的时间间隔低至几个ps。超表面的工作原理是选择性地激发石墨烯纳米矩形支撑的局部表面等离子体模式，由于超表面单元的各向异性几何形状，其简并性被打破。通过泵浦脉冲诱导的电子群瞬态加热，可以控制反射场的椭圆率(η)和旋转率(α)，从而实现多种极化状态。
论文链接：https://doi.org/10.1002/adom.202303181
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