导读

来自同济大学、中南大学、美国纽约市立大学和韩国浦项科技大学的国际科研团队通过构建α-MoO₃极化激元晶体/石墨烯异质结，将石墨烯优异的电学可调性与α-MoO₃低损耗、各向异性的声子极化激元特性相结合，成功实现了对布洛赫模式的动态电学调控。该工作充分发挥了异质结的协同优势，在纳米尺度下完整观测到背栅电压对布洛赫模式强度、波长及空间分布的重构，并利用平带结构实现了近场信号选择性增强与远场辐射开关。该成果为发展可调控纳米光子器件，如可编程光芯片与片上光束控制系统，奠定了重要基础。

一、挑战

在纳米光子学领域，如何将光压缩在远小于波长的尺度并进行精准操控，是科学家们长期追求的目标。声子极化激元——一种由光子和材料晶格振动耦合形成的“准粒子”——为实现这一目标提供了可能。通过将材料制备成周期性结构，形成声子极化激元晶体，能进一步产生独特的极化激元布洛赫模式，从而极大地增强光与物质的相互作用。然而，传统的声子极化激元晶体一旦制备完成，其性质便固定不变，这种“静态”特性极大地限制了它在需要实时调控的先进光子器件中的应用。

二、难点

实现动态调控主要面临两大难题。首先，性能与可调性难以兼顾。已知的可调材料（如石墨烯）虽然电控能力优异，但其固有的损耗较大，导致极化激元寿命短，信号衰减快。而像α-MoO₃这类天然支持各向异性声子极化激元的低损耗材料，虽能支持光在特定方向上的双曲传播，从而具备更强的光场局域能力和定向传输潜力，但其光学特性源于自身晶体结构，难以通过外部手段改变。其次，调控机制复杂。在具有各向异性（不同方向上性质不同）的晶体中，如何通过简单的电学信号精确地控制布洛赫模式的强度、波长乃至空间分布，并在纳米尺度上实时观测其变化，是一项巨大的技术挑战。

三、攻关

为解决以上难题，来自同济大学、中南大学、美国纽约市立大学和韩国浦项科技大学的国际科研团队，设计了一种α-MoO₃极化激元晶体/石墨烯异质结。该结构将α-MoO₃的低损耗、各向异性特性与石墨烯的电学调控能力相结合。具体而言，团队在α-MoO₃薄层上制备了周期性的纳米孔阵列以构成极化激元晶体，再将其与单层石墨烯进行堆叠。通过施加背栅电压改变石墨烯的费米能级，即可有效调控整个异质结构的光学响应，为实现纳米尺度的光子动态操控提供了一个新平台。

四、亮点

4.1 极化激元布洛赫模式的动态电学调控

通过红外散射式扫描近场光学显微镜，研究团队在纳米尺度下直接观测布洛赫模式随电压变化的动态过程（图1、图2）。随着石墨烯费米面不断上升，极化激元布洛赫模式的干涉条纹会发生连续的重构。这直接证实通过电学手段就能在纳米尺度下动态调控中远红外光的布洛赫模式，包括其强度、波长和空间分布。实验测量结果与理论预测高度吻合。

图1：极化激元布洛赫传播形式随石墨烯费米面的演变。

图2：极化激元布洛赫干涉条纹随石墨烯费米面的演变。

4.2 能带结构的动态调控与平带放大

电学调控能够使能带中特定的“平带”区域（此处态密度极高）与固定的激光激发频率精准对齐（图3）。这种对齐能显著增强光与物质的相互作用，导致近场信号产生共振峰。通过电学调控，研究人员可以选择性地让不同的平带区域在所需波长处发挥作用，从而实现按需的信号增强。

图3：极化激元布洛赫模式的能带调控。

4.3 远场泄漏的光电开关

当通过栅压将平带区域推入“光锥”（一个决定光能否辐射到自由空间的临界区域）时，原本被束缚在材料中的布洛赫模式转变为可探测的远场辐射；反之，则将辐射关闭（图4）。这种通过静电调控实现远场泄漏开关的能力，为设计新型可重构纳米激光器和光开关开辟了新路径。（来源：LightScienceApplications微信公众号）

图4：极化激元布洛赫模式在第一布里渊区的分布。

相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41377-025-02157-6