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日前，北京理工大學(xué)物理學(xué)院姚裕貴教授團(tuán)隊(duì)王沖特別研究員與復(fù)旦大學(xué)物理系的晏湖根教授團(tuán)隊(duì)、南京大學(xué)物理學(xué)院宋鳳麒教授團(tuán)隊(duì)合作，通過化學(xué)摻雜、溫度手段對WTe2薄膜中等離激元的光學(xué)拓?fù)湎嘧儗?shí)現(xiàn)寬光譜范圍調(diào)控，為可重構(gòu)光子學(xué)器件的研究提供重要基礎(chǔ)。相關(guān)研究題目為Tunable optical topological transitions of plasmon polaritons in WTe2 van der Waals films，成果被發(fā)表在光學(xué)頂級期刊《Light: Science & Applications》上（影響因子19.4）。

雙曲極化激元指的是一類等頻線為雙曲線的光與物質(zhì)集體振蕩模式。與傳統(tǒng)的各向同性極化激元不同，雙曲極化激元具有發(fā)散的動量、極高的光學(xué)態(tài)密度以及沿面內(nèi)特定方向傳播的特性，在亞波長分辨與成像、增強(qiáng)自發(fā)輻射等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價值。在自然界中的二維材料天然存在面內(nèi)雙曲極化激元，例如，WTe₂中的雙曲等離激元，MoO₃、V₂O₅中的雙曲聲子激化激元等。雖然雙曲聲子極化激元的調(diào)控研究取得了一系列突破性進(jìn)展，然而聲子作為晶格的集體振蕩模式很難在大頻譜范圍實(shí)現(xiàn)調(diào)控。另外，遠(yuǎn)紅外波段雙曲區(qū)間的調(diào)控鮮有報道。一方面，受限于激光光源的頻段，近場光學(xué)技術(shù)（SNOM）較難表征位于遠(yuǎn)紅外波段的雙曲極化激元。另一方面，傳統(tǒng)的遠(yuǎn)場光學(xué)方法雖然可以探測遠(yuǎn)紅外波段，但是缺少高效可靠的表征雙曲區(qū)間的方法。因此，尋找一種更加方便、準(zhǔn)確的遠(yuǎn)紅外雙曲極化激元特性表征手段迫在眉睫。

針對以上問題，研究人員發(fā)現(xiàn)各向異性二維材料中傾斜條帶陣列的局域表面等離激元具有獨(dú)特的偏振依賴特性。等離激元共振強(qiáng)度最強(qiáng)的偏振方向可以表征等離激元的拓?fù)湫裕▓D1）。因此提供了一種準(zhǔn)確、便捷判斷雙曲區(qū)間的遠(yuǎn)場判定方法。基于該表征方法，研究人員通過Mo元素?fù)诫s和變溫的方式（圖2，圖3），實(shí)現(xiàn)了WTe₂雙曲等離激元的超寬頻段調(diào)控，將其雙曲區(qū)間在頻率范圍擴(kuò)展了3.1倍。這些發(fā)現(xiàn)為雙曲極化激元的調(diào)控提供了新維度，為可重構(gòu)光子學(xué)器件的研究鋪平了道路。

物理學(xué)院姚裕貴團(tuán)隊(duì)的王沖特別研究員為通訊作者。上述工作得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金和北京理工大學(xué)青年教師學(xué)術(shù)啟動計(jì)劃的資助。

圖1. WTe₂等離激元強(qiáng)度最大值偏振角度隨能量變化。在橢圓區(qū)間（<460cm^-1）為負(fù)值，雙曲區(qū)間（>460cm^-1）為正值。

圖2. Mo元素?fù)诫s對WTe₂雙曲等離激元的調(diào)控。

圖3. 溫度對WTe₂雙曲等離激元的調(diào)控。

文章鏈接： https://www.nature.com/articles/s41377-023-01244-w