国家纳米科学中心Nano Letters：石墨烯光栅/α-MoO3异质结构中的可编程可回入型拓扑极化激元

成果介绍

实现面内极化激元拓扑特性的主动多态调控，是研发先进纳米光子器件的关键所在；然而现有研究平台均受限于天然材料的固有结构，或调控机制存在明显掣肘。

近日，上海交通大学戴庆研究员、国家纳米科学中心胡海副研究员、陈娜等研究者通过引入石墨烯光栅/α-MoO₃异质结构，将静态的人工几何设计与基于掺杂的动态调控相结合，突破了上述局限。通过精确调控α-MoO₃本征各向异性与石墨烯超表面可调谐人工各向异性之间的相互作用，研究实现了掺杂驱动的可重入拓扑相变（双曲-椭圆-双曲）。此外，研究证明可通过几何设计光栅填充因子使系统呈现预定次数的拓扑相变。最后，通过使两个各向异性轴旋转失配，利用散射式近场光学显微镜在实验上验证了倾斜非对称极化激元及涡旋状模式的存在。本研究建立了极化激元拓扑特性、传播方向性及对称性的可编程调控框架，为研发高性能可重构纳米光子器件开辟了新路径。

图文导读

图 1. 石墨烯光栅/α-MoO₃异质结构中的掺杂驱动可重入拓扑相变。(a) 异质结构示意图，由位于Si衬底上的α-MoO₃薄片及其表面的石墨烯光栅构成。光栅由周期P、宽度W和间隙G几何定义，其中P = W + G。光栅取向设定为相对于α-MoO₃晶体的[100]晶轴成θ角。(b, c) “天然”各向异性材料的特性。(b) 裸α-MoO₃薄片的吸收光谱，显示了沿[100]轴在820 cm⁻¹处的特征横光学声子共振。(c) α-MoO₃在750-920 cm⁻¹范围内面内介电常数张量的实部，展示了天然双曲窗口（750-819 cm⁻¹，ϵ_[100] > 0，ϵ_[001] < 0；851-920 cm⁻¹，ϵ_[100] < 0，ϵ_[001] > 0）和椭圆窗口（820-850 cm⁻¹，ϵ_[100] < 0，ϵ_[001] < 0）。为清晰起见，(c)图中的ϵ_[001]缩放因子为10。(d, e) “合成”各向异性材料的特性。(d) 石墨烯光栅的可调吸收光谱，展示了等离子体共振随入射频率增加的光谱偏移。(e) 采用修正有效介质近似计算的石墨烯光栅对应的面内有效介电常数分量（ϵ_xx 和 ϵ_yy）。该图揭示了石墨烯光栅随费米能级增加从椭圆型（ϵ_xx, ϵ_yy < 0）到双曲型（ϵ_xx < 0, ϵ_yy > 0）的拓扑转变。(f) 异质结构等频线的演化，展示了E_F驱动的可重入拓扑相变。拓扑结构从开放的双曲波前演变为闭合的椭圆波前，并在更高能量下恢复为另一种开放双曲波前。在两个拓扑相变之间观察到显著的波前沟道化效应。模拟参数：α-MoO₃薄片厚度200 nm，石墨烯光栅取向θ = 0°，周期P = 100 nm，宽度W = 80 nm。

结论与展望

该工作建立并实验验证了一种双层设计方法，通过调控α-MoO₃本征各向异性和石墨烯光栅人工各向异性间的耦合作用，实现对石墨烯光栅/α-MoO₃异质结构中拓扑极化激元的多维度控制。具体而言，研究实现了掺杂驱动的可重入拓扑相变，使杂化极化激元波前能够在天然双曲态与椭圆态之间可逆切换。研究进一步证明，器件展现零次、单次或双重相变的基础动态响应，可通过几何设定光栅填充因子进行预编程。此外，通过引入旋转自由度，研究主动打破系统镜像对称性，生成并直接观测到倾斜的非对称极化激元与类涡旋模式。该平台通过实现极化激元拓扑结构、传播方向与对称性的可编程调控，为前沿应用提供了理想的基础单元，并为先进可重构纳米光子器件奠定了坚实基础。未来研究可探索更丰富的材料体系——例如将多层扭转石墨烯光栅与α-MoO₃甚至更低对称性的单斜晶体结合——以产生更复杂的光学响应。进一步将该设计范式与人工智能算法结合，将为按需定制任意复杂波前和光学拓扑结构开辟新途径。

文献信息

Hanchao Teng, Chengyu Jiang, Min Liu, Yunpeng Qu, Shenghan Zhou, Zhuoxin Xue, Hualong Zhu, Jiayi Gui, Shuang Xi, Yejing Yang, Na Chen, Hai Hu, and Qing Dai，“Programmable Re-entrant Topological Polaritons in Graphene Grating/α-MoO₃ Heterostructure” Nano Letters Article ASAP

文献链接：https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.5c06162