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2025

Science Advances 红外纳米光场的非衍射传播

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导读

光子可以像电子一样作为信息载体来生成、处理、传输信息。与电子相比，光子作为信息载体具有速度快、带宽高、容量大的优势。光子芯片有望解决电子芯片解决不了的功耗、访存能力和计算机整体性能等难题，被认为是下一代通信技术(光通信)的基础设施。虽然光子芯片的研究已经取得了非常多的重要进展，但下一代纳米光电芯片的开发、集成和应用一直存在两个关键问题：

1.光场衍射限制了光电器件的小型化和集成化(光场局域问题)；

2.光子的玻色子属性导致光与物质相互作用较弱，与电子相比光子更难操控(光场操控问题)。

纳米光子学中利用极化激元（光子与其它粒子耦合产生的特殊电磁模式）实现光学通路及其片上集成是光子芯片研究的前沿方向。极化激元的高光场局域特性有望解决光场局域问题，其半光-半物质属性也为光场操控问题提供了有力手段。尤其值得指出的是，近期转角光子学的发展为红外光场的纳米局域和低损耗传播调控带来了新的希望。研究发现当两层或三层各向异性二维材料之间转角为某一固定数值（光学魔角）时，极化激元所有波矢分量对应的波印廷矢量均指向同一方向，即光场能量沿着特定方向低损耗且非衍射传播，是红外光的天然纳米波导。然而，多层二维材料转角结构的制备过程较为复杂，精确控制转角和二维材料厚度需要进行多次材料制备和样品对准过程，不利于非衍射极化激元的实际应用。

针对这一问题，近日，北京理工大学段嘉华教授与西班牙奥维耶多大学的Pablo Alonso Gonzalez教授合作，通过调控极化激元材料的介电环境，在单个氧化钼薄层中实现了极化激元的非衍射传播，避免了转角结构复杂的样品制备过程。在此基础上，他们提出了基于极化激元非衍射传播的超分辨光学成像方案，成像分辨率为入射光波长的220分之一。

该成果发表在Science Advances，题为“使用单个范德华薄层进行基于管道化的超分辨率成像”。北京理工大学段嘉华和西班牙奥维耶多大学Aitana Tarazaga Luengo，Christian Lanza为论文的共同第一作者，北京理工大学段嘉华和奥维耶多大学Pablo Alonso Gonzalez为共同通讯作者。

小百科：转角光子学中的“光学魔角”

此前研究表明，当把两层氧化钼晶体叠加并且旋转时，由于层与层之间的电磁场耦合作用，极化激元的等频线会发生明显的变化，从而影响其传播(相关报道《光学拓扑转变：纳米光源调控技术》)。当转角为零时，双层氧化钼和单层氧化钼表现出类似的性质：极化激元表现出内陷型波前，即等频线为对称轴沿着[100]晶体方向的双曲线；当转角增大到90°，双层氧化钼中极化激元变为沿所有面内方向传播，即闭合型等频线。尤为有趣的是，当转角为0-90°之间的某一固定角度时，双层转角氧化钼中极化激元等频线变为两条平行直线（光学平带），即所有波矢对应的波印廷矢量均指向同一方向，相应的，极化激元沿某一方向高度定向传播（即非衍射传播）。类比于魔角石墨烯（能带为平带），双层氧化钼之间的这一特殊转角被称为“光学魔角”，其相关研究方向被称为“转角光子学”[Nano Letters 20， 6935 （2020）]。相对于双层转角氧化钼中的单个光学魔角，三层转角氧化钼中存在多个光学魔角[相关报道《Nat. Mater. | 多重光学魔角：纳米光场调控》]，通过转角重构可以实现极化激元非衍射传播方向的面内全角度调控，且覆盖非常宽的光谱频率范围，为纳米光场的精确操控提供了重要思路。

设计思路和工作原理

由于其倏逝场属性，极化激元的光学性质对周边介电环境非常敏感。当氧化钼材料从低折射率（例如空气）转移到高折射率（例如二氧化硅）衬底时，极化激元表现为更强的光场局域，其波长变短。然而，此前关于介电环境对极化激元性质的调控研究多数集中于衬底介电常数大于零的情况，衬底介电常数小于零的情况还未深入研究。针对这一现象，研究人员计算了不同衬底时氧化钼材料中极化激元的光学色散。计算结果表明（图1），当衬底由二氧化硅变为碳化硅（介电常数约为-10）时，极化激元由典型的内陷型波前（双曲传播）变为沿某一方向的高度定向传播（非衍射传播）。

图1：不同衬底上氧化钼极化激元的双曲传播（二氧化硅衬底）和非衍射传播（碳化硅衬底）

基于上述计算结果，研究人员认为有可能通过改变介电环境在单个氧化钼薄层中实现极化激元的非衍射传播，从而避免多层转角结构复杂的样品制备过程。为了找到合适的衬底，研究人员首先确定了衡量极化激元等频线是否为平行直线（即是否为非衍射传播）的定量标准，在此基础上计算得到了实现非衍射传播的理想衬底介电常数（图2中的红色实线）。通过对比可以发现，中红外波段内传统的二氧化硅（黑色实线）和金（橙色实线）衬底的介电常数与理想介电常数差别较大，这也是其无法实现极化激元非衍射传播的原因。有趣的是，碳化硅的介电常数（绿色实线）与理想介电常数非常接近，为单个氧化钼薄层中实现极化激元非衍射传播提供了有效手段。

图2：不同衬底介电常数与非衍射传播理想介电常数的对比。可以看到碳化硅衬底介电常数与理想介电常数非常接近

极化激元非衍射传播纳米光学成像

为了验证上述理论，研究人员采用扫描式近场光学显微镜（s-SNOM）测量了碳化硅衬底上氧化钼材料中极化激元传播行为（图3）。氧化钼上的金纳米天线可产生较强的局域电磁场，有效的激发极化激元，通过针尖逐点扫描可以获得氧化钼极化激元的实空间成像。

图3：氧化钼极化激元的实空间成像

实验结果表明（图4），在碳化硅衬底上氧化钼材料中极化激元沿着[100]晶体方向高度定向传播，验证了在单个氧化钼薄层中极化激元的非衍射传播。此外，与双层转角氧化钼中光学魔角只在某一固定频率出现（即非衍射传播只存在于某一单个频率）不同，氧化钼-碳化硅体系中极化激元非衍射传播现象可以在某一宽波段频率范围内存在，这一特性不仅有助于中红外宽光谱纳米光场低损耗传播调控，也为极化激元关键物理参数测量提供了平台。例如，要想获得极化激元传播寿命这一关键物理量，我们需要测量其传播长度和传播速度，而后者需要在不同入射光频率下进行测量。氧化钼-碳化硅体系中宽光谱范围内的极化激元非衍射传播为测量其传播速度提供了良好平台，研究人员基于近场光学成像技术最终测量得到极化激元非衍射传播寿命约为2ps。

图4：氧化钼-碳化硅体系中极化激元传播的近场光学图像。黄色矩形框为金纳米天线，激发的极化激元沿水平方向高度定向传播

应用（超分辨成像）

传统光学透镜成像受到光的衍射效应影响，存在分辨率极限，其数值大约为入射光波长的一半，其中丢失的超越衍射极限的图像信息由倏逝波携带。此前研究表明，双曲超材料由于其独特的色散特性能够传输成像物体的倏逝波，基于这种原理设计的透镜称为双曲超透镜（Hyperlens）。双曲超透镜的工作过程分为两部分：（1）在近场范围内成像物体的成像放大；（2）将倏逝波转化为传播场，散射到远场探测器。氧化钼-碳化硅体系中极化激元非衍射传播对光学成像应用具有天然的优势。如图5所示，极化激元非衍射传播在氧化钼表面完全重构埋在下面金纳米天线的表面电磁场分布，在入射光为11微米的情况下可以分辨间距仅为50nm的两个金属天线，是首个基于极化激元渠道化传播的光学成像应用展示。值得指出的是，此处的超分辨成像方案由氧化钼-碳化硅极化激元体系和s-SNOM技术两部分组成，分别将金纳米天线信息传输至氧化钼上表面（近场重构）和将近场信号传输至远场探测器（远场探测）。未来，研究人员将尝试采用除s-SNOM外的其它方式将近场光学信号散射至远场探测器，进一步实现远场超分辨成像。