光电集成芯片可以最大限度发挥光子传输、电子计算的优势，是获取跨越式信息处理能力的关键器件。现有硅基光电集成方案主要通过光电效应实现光电信号转换，其中光模块主要依赖光纤、波导和微镜等技术。但是由于光学衍射极限的限制，微米尺寸的光传输模块难以与纳米尺寸的电计算模块联接融合，严重制约光电芯片集成度的提升。

为此，国家纳米科学中心戴庆研究团队提出利用范德华材料极化激元压缩光波，并在纳米尺度上对光进行“操控”，有望为光电互联提供新的方案。8月18日，相关研究成果以“Doping-driven topological polaritons in graphene/α-MoO3 heterostructures”为题，发表在Nature Nanotechnology期刊上，并同期发表评述文章对此项研究进一步报道。

在前期的研究工作中，戴庆课题组突破了传统静电掺杂和液体化学掺杂技术难以兼顾载流子迁移率和浓度的瓶颈，发展了兼具高迁移率和高浓度的气相化学掺杂技术，实现了石墨烯费米能级从0到0.7 eV宽范围调制。实现了迄今为止室温下石墨烯等离激元的最远传输记录（Nature Communications, 2022, 13: 1465.）。此外，通过激发结构的设计，实现了α-MoO3中双曲声子极化激元的面内光学聚焦（Advanced Materials, 2022, 34(23): 2105590.）。

图1.（a, d）石墨烯和α相氧化钼的晶格结构示意图。（b, c, e, f）悬空石墨烯上等离激元和α-MoO3中双曲声子极化激元的近场光学成像图和相应的等频色散曲线。（g）不同石墨烯掺杂条件下的杂化极化激元色散等频轮廓线，揭示了其由开口的双曲线到闭合的椭圆线的拓扑变化过程。

在此基础上，戴庆课题组与合作者构建了高质量的石墨烯/α相氧化钼异质结，实现了石墨烯/α相氧化钼异质结中极化激元等频色散轮廓从开口到闭合的原位、动态、可逆拓扑转变，打破了声子极化激元传输受支撑材料晶向的限制。此外，衬底材料对于调控这种杂化极化激元色散也起到重要作用。当异质结位于金衬底时，由于镜像耦合作用，极化激元的波矢受到显著增强并且在拓扑转变的临界点附近形成渠化传输模式，能够将能量汇聚到特定方向进行无衍射传输。

图2. （a-c）近场光学实验观测石墨烯/α-MoO3异质结中杂化极化激元拓扑转变。（d-f）近场实验数据的傅里叶变换揭示极化激元等频色散曲线从双曲到椭圆的连续拓扑转变。

基于衬底变化对杂化极化激元色散的影响，研究团队进一步通过衬底介电环境设计，构造了宽度仅有1.5μm 的二氧化硅平面透镜，实现了极化激元椭圆传播模式的纳米聚焦。不仅将入射光的波长压缩至原来的4.8%，同时能量增强4.5倍。这项研究利用极化激元实现纳米尺度光的操控，未来有望应用于纳米尺度光电融合与器件集成等诸多领域。

图3. （a）衬底调控拓扑极化激元平面聚焦示意图。（b）拓扑极化激元平面聚焦近场光学成像图。

韩国科学技术高等研究院的Min Seok Jang教授在同期发表的新闻和评述文章里评价该工作突破了传统声子极化波受限于晶格结构而难以调控的难题，为极化波解锁了重要的调控功能，对将来实现纳米成像、光学传感和纳米级能量操纵等应用意义重大。

国家纳米科学中心戴庆研究员，西班牙光子科学研究所Javier García de Abajo教授和Renwen Yu为该文章的共同通讯作者，国家纳米科学中心胡海副研究员（青促会第十二批会员）为第一作者和共同通讯作者之一，博士研究生陈娜和腾汉超是共同一作。论文的合作者还包括化学所刘云圻院士、斯坦福大学范汕洄教授、华中科技大学李培宁教授，物理所陈佳宁研究员、美国纽约州立大学石溪分校刘梦昆教授和芬兰阿尔托大学孙志培教授等。上述研究工作获得了国家重点研发计划纳米科技重点专项、国家自然科学基金、中科院人青促会项目及中科院战略性先导科技专项B类等项目的支持。

论文链接: https://doi.org/10.1038/s41565-022-01185-2。