我國科學(xué)家成功創(chuàng )制“光晶體管”

  ICC訊 納米尺度的光電融合是未來(lái)高性能信息器件的重要發(fā)展路線(xiàn)。如何在納米尺度對光進(jìn)行精準操控是其中最關(guān)鍵的科學(xué)問(wèn)題。

  利用極化激元是實(shí)現納米尺度光操控的新思路。2月10日，《科學(xué)》報道了一項極化激元領(lǐng)域的重要進(jìn)展。經(jīng)過(guò)十多年的不懈努力，國家納米科學(xué)中心戴慶研究團隊實(shí)現了極化激元的高效激發(fā)和長(cháng)程傳輸。在此基礎上，他們成功創(chuàng )制“光晶體管”，實(shí)現納米尺度光正負折射調控，顯著(zhù)提升了納米尺度光操控能力。

  光電融合是未來(lái)方向

  與電子相比，光子具有速度快、能耗低、容量高等諸多優(yōu)勢，在大幅提升信息處理能力方面被寄予厚望。因此，光電融合系統被認為是構建下一代高效率、高集成度、低能耗信息器件的重要方向。

  “光電融合能夠發(fā)揮光傳輸、電計算的優(yōu)勢，成為后摩爾時(shí)代的重要技術(shù)路線(xiàn)?！眹壹{米科學(xué)中心研究員戴慶解釋?zhuān)欢?，由?A href="http://joq5k4q.cn/site/CN/Search.aspx?page=1&keywords=%e5%85%89&column_id=ALL&station=%E5%85%A8%E9%83%A8" target="_blank">光子不攜帶電荷且光的傳輸受限于光學(xué)衍射極限，和能輕易通過(guò)電學(xué)調控的電子相比，對光子的納米尺度調控并不容易。

  極化激元是一種由入射光與材料表界面相互作用形成的特殊電磁模式，也可以被認為是一種光子與物質(zhì)耦合形成的準粒子。它具有優(yōu)異的光場(chǎng)壓縮能力，可以輕易突破光學(xué)衍射極限，從而實(shí)現納米尺度上光信息的傳輸和處理。

  戴慶研究團隊率先提出了利用極化激元作為光電互聯(lián)媒介的新思路，充分發(fā)揮它對光的高壓縮和易調控優(yōu)勢，不僅有望實(shí)現高效光電互聯(lián)，還可以提供額外的信息處理能力，從而進(jìn)一步提升光電融合系統的性能。

  在近期的研究中，戴慶研究團隊成功給低對稱(chēng)極化激元拍了照，實(shí)現了低對稱(chēng)聲子極化激元的實(shí)空間成像，證實(shí)了近場(chǎng)“軸色散”效應，揭示了一種新的在納米尺度實(shí)現光子操控的可行路徑。

  同時(shí)，他們還大幅提高了納米尺度的光子精確操控水平，成功將10微米波長(cháng)的紅外光壓縮成幾十納米波長(cháng)的極化激元，并調控性能，實(shí)現平面內的能量聚焦和定向傳播。

  對此，戴慶解釋道：“光電互聯(lián)是光電融合的重要基礎，它相當于光電兩條高速公路交匯的收費站，而構筑極化激元光電互聯(lián)相當于將原來(lái)的收費站改造成立交橋，從而大幅增加傳輸通道和提升信息處理的速度?！?

  證實(shí)一項非常規物理現象

  在前期研究的基礎上，研究團隊設計并構筑了微納尺度的石墨烯/氧化鉬范德華異質(zhì)結，實(shí)現了用一種極化激元調控另一種極化激元開(kāi)關(guān)的“光晶體管”功能。

  在戴慶看來(lái)，這項研究充分發(fā)揮了不同材料的納米光子學(xué)特性，突破了傳統結構光學(xué)方案在波段、損耗、壓縮和調控等多個(gè)方面的性能瓶頸。

  “相比人工結構，聚焦于材料自身的光子學(xué)特性是另一種更加直接獲取光學(xué)功能的途徑?！毖芯繄F隊成員、國家納米科學(xué)中心副研究員胡海打了個(gè)比方，“就像《舌尖上的中國》所說(shuō)的‘高端的食材往往只需要采用最樸素的烹飪方式’。利用簡(jiǎn)便的范德華材料堆疊，便可以實(shí)現奇異的光學(xué)調控功能，比如我們展示的負折射效應?！?

  所謂負折射，是指入射光與折射光在界面法線(xiàn)同側的特殊物理現象?！昂?jiǎn)單來(lái)說(shuō)，就是光沿‘錯誤’方向偏折了?！焙＝忉屨f(shuō)，“舉個(gè)例子，負折射就像我們在鏡中觀(guān)察世界，與真實(shí)世界相比，一切都是顛倒的?！?

  “我們利用電學(xué)柵壓對極化激元這種光波的折射行為實(shí)現了動(dòng)態(tài)調控，使其從常規的正折射轉變到奇異的負折射。這意味著(zhù)可以像操縱電子一樣操縱光子，這對將來(lái)高性能光電融合器件與系統的發(fā)展有重要的促進(jìn)作用?！贝鲬c表示，在應用上，這項研究面向光電融合器件走向大規模集成缺乏高效、緊湊光電互聯(lián)方式的重大需求。在科學(xué)上，研究為解決突破衍射極限下高效光電調制的難題提供了新思路。

  “這是一項非常有趣的研究?！痹撜撐膶徃迦嗽u價(jià)說(shuō)，“這證實(shí)了一項非常規的物理現象，為研究納米尺度的光操控提供了嶄新的平臺?！?