未来高性能的信息器件既要满足高速运行功能又要满足超大规模的集成度要求。与电子相比，光子具有速度快、能耗低、容量高等优势，被寄予未来大幅提升信息处理能力的厚望。因此，光电融合系统被认为是构建下一代高效率、高集成度、低能耗信息器件的重要方向。光电互联（电-光-电转换）是光电融合的基础，相当于光电两条高速公路交汇的收费站。而现有硅基光电集成方案存在效率低（依赖多次光电效应）、体积大（光模块无法突破衍射极限）等问题，制约光电器件之间的信息流转。然而，光子不携带电荷且光的传输受限于光学衍射极限，相比于能轻易通过电学调控的电子，对光子的纳米尺度局域和操控并不容易。
我国固体物理学家黄昆院士在1951年通过著名的“黄方程”预言了光子与物质作用形成的准粒子—极化激元。经过多年的研究与不断深入的发现，极化激元已被证实可以轻易突破光学衍射极限，将光波长压缩到纳米尺度，且其场分布与介电环境密切相关。
国家纳米科学中心戴庆研究团队提出利用极化激元作为光电互联媒介的新思路，充分发挥其对光高压缩和易调控的优势。构筑光-极化激元-电转换路径相当于将高速公路的收费站改造成立交桥，具有显著优势：一是效率高，光/电激发材料表面波的效率相比光电效应提升潜力巨大；二是集成度高，光波转化成材料表面波可将波长压缩百倍轻松突破衍射极限，从而显著提升光模块集成度；三是算力强，材料表面波具有光子性质可进行高效并行计算，从而将现有光电融合的“光传输、电计算”拓展成为“光传输、电计算+光计算”，实现“1+1>2”的效果。
在近期的研究工作中，该团队与合作者发现了低对称晶体中极化激元“轴色散”效应 (Nat. Nanotech. 2023,18,64)，解决了石墨烯等离激元的长程传输问题(Nat. Commun. 2022, 13: 1465)，提出了异质结调控极化激元的新机制（Nat. Nanotech. 2022,17,940）。
在此基础上，研究团队设计并构筑了微纳尺度的石墨烯/氧化钼范德华异质结，充分发挥了不同材料的纳米光子学特性，其中，原子层厚度为高度压缩的光学模式提供基础，范德华堆垛满足了模式杂化的近场匹配，线性能带结构提供电栅压调制的平台。进而实现了用一种极化激元调控另一种极化激元开关的“光晶体管”功能。研究表明该晶体管可实现光正负折射的动态调控，为构筑与非门等光逻辑单元提供了基础。这一研究在应用上面向光电融合器件大规模集成缺乏高效、紧凑光电互联方式的重大需求，在科学上为解决突破衍射极限下高效光电调制的难题提供了新思路。
2月10日，相关研究成果以Gate-tunable negative refraction of mid-infrared polaritons为题，在线发表在Science期刊。国家纳米科学中心戴庆研究员，西班牙光子科学研究所Javier Abajo教授为该文章的共同通讯作者，胡海副研究员(第12批会员)为共同一作和共同通讯作者之一，博士研究生陈娜和滕汉超是共同一作。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、国家自然科学基金等项目的支持。
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媒体报道：
Science期刊高亮

中国科学院

央视新闻

图示极化激元晶体管的基本原理，通过在氧化钼上覆盖石墨烯构筑范德华异质结，天线激发极化激元传输穿过界面后形成负折射。