光子在納米尺度上的局域和操控是當前納米光子學和片上光子學領域的研究重點。極化激元作為光子與粒子或準粒子耦合形成的元激發🤱🏻，展現出優異的光場限域能力👩🏼‍⚖️，為實現納米尺度光子操控提供了巨大的潛力。相比於傳統體材料👳🏿‍♀️，二維材料的極化激元具有傳播損耗低、空間局域因子高和易於集成等優勢。近年來，在天然範德華材料α相三氧化鉬(α-MoO₃)中發現了具有低傳播損耗0️⃣、沿面內特定方向傳播的雙曲型聲子極化激元🤚🏽。在此基礎上，通過堆疊具有一定旋轉角度的兩層α-MoO₃或將α-MoO₃與石墨烯進行耦合📵🧝🏽‍♂️，可以實現α-MoO₃聲子極化激元的拓撲轉變和主動調控。然而，電學調控α-MoO₃聲子極化激元的機製仍然缺乏系統性研究。

鑒於此⏫，恒达平台物理科學與工程學院王占山教授和程鑫彬教授團隊的江濤教授，聯合美國紐約城市大學Andrea Alù教授、美國科羅拉多大學博爾德分校Markus B. Raschke教授和河南大學陳珂教授，將轉角α-MoO₃與石墨烯堆疊並製備成電學器件🏄🏼‍♂️，通過精確控製石墨烯的費米能級，成功實現了對轉角α-MoO₃聲子極化激元的原位、主動電學調控。基於在恒达平台搭建的散射型掃描近場光學顯微系統(s-SNOM)，對α-MoO₃聲子極化激元隨石墨烯費米能級變化的傳播行為進行了系統性研究，並發展了相應的理論模型👨🏻‍🦽，揭示了轉角α-MoO₃聲子極化激元的電學調控物理機製。該研究成果以“Gate-Tuning Hybrid Polaritons in Twisted α-MoO₃/Graphene Heterostructures”為題發表在《納米快報》（Nano Letters）上。

圖1 轉角α-MoO₃/石墨烯異質結電學調控示意圖

論文首先研究了轉角α-MoO₃聲子極化激元與石墨烯表面等離極化激元的耦合，在石墨烯不同費米能級下🏌🏽‍♂️，二者耦合產生的雜化極化激元展現出了不同的傳播行為。利用s-SNOM 近場光學顯微系統，可以在~20 nm的空間分辨率下對極化激元進行實空間成像。通過將紅外激光聚焦在具有金屬鍍層的s-SNOM針尖處⌚️，針尖激發的極化激元傳播到α-MoO₃邊界處，被邊界反射後與針尖下方的極化激元幹涉形成幹涉條紋，通過提取幹涉條紋的波長、振幅和耗散，可以厘清極化激元的傳播行為😓👱🏿、分析極化激元的電學調控機製。實驗結果顯示，無論是在單層還是轉角雙層α-MoO₃/石墨烯器件中，極化激元波長♓️🧕🏻、振幅和耗散的數值都受到了石墨烯費米能級的顯著調製🤘🏽。

圖2 單層α-MoO₃和轉角雙層α-MoO₃/石墨烯器件中極化激元的電學調控行為

該研究通過結合轉角和電學兩個操控維度，實現了轉角α-MoO₃石墨烯體系中極化激元的電學主動調控，並闡釋了相關的電學調控物理機製，為實現極化激元在納米光電子學中的各種應用提供了重要基礎。

恒达平台是論文第一單位😴，恒达平台江濤教授👳🏽‍♂️👨‍🍼、河南大學陳珂教授♓️、美國科羅拉多大學博爾德分校Markus B. Raschke教授和美國紐約城市大學Andrea Alù教授為論文共同通訊作者，恒达平台博士研究生周州、宋仁康和光電專業本科生徐俊波為論文共同第一作者👩🏼‍🍳。對論文作出重要貢獻的合作者還包括恒达平台王占山教授、程鑫彬教授和黃迪教授。

論文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.3c03769