新加坡國立大學學者Nature報導「光學魔角」，全程高能

2020-09-05 留學鳥LXBIRD

NUS 電子與計算機工程學院（Department of Electrical and Computer Engineering）的Qiu Cheng-Wei副教授團隊聯合紐約城市大學、澳大利亞亞蒙納士大學，實驗發現雙層⍺相三氧化鉬材料中的「光學魔角」和拓撲學極化子，能夠控制光在材料中高密度聚焦、精準控制、超低損耗傳播。相關工作於6月11日發表於Nature。


2010年諾貝爾物理學獎過後，石墨烯大火，大家對二維材料充滿了希望，我們有用碳基材料取代矽基材料來成為我們的計算之「芯」的願景，也有石墨烯散熱膜等新興的實際工業應用，甚至還有添加石墨烯的羽絨服等等概念先行的產品出現在市場上。而實際研究裡，除了對「真正的二維」——單層材料——的追尋之外，二維材料層與層之間的關係和作用也吸引了科學家的注意，比如小助手6月介紹的這項工作。


圖片來源：NUS CA2DM


從2011年開始，科學家們通過計算得出，如果將雙層石墨烯進行扭轉，在轉角到達1.05度時，電子在這兩層之間的穿梭會突然變得很容易（隧穿），移動速度減慢約100倍。他們將這個改變石墨烯性質的角度稱為「魔角」。直到2018年，麻省理工的Pablo Jarillo-Herrero課題組用實驗做出了「魔角」石墨烯，證實在轉角為1.1度時，石墨烯可以實現從絕緣體到超導體之間的轉變。該工作的第一作者，天才少年曹原，也因此被Nature雜誌評為了2018年影響世界的十大科學人物之一。「魔角」此後成為了頂刊Science和Nature的掌上明珠，如今，不僅在石墨烯當中，科學家在其他的雙層二維材料中也進行了通過「魔角」操控電子的研究，甚至將其賦予了新名字為「轉角電子學」（twistronics）。


圖片來源：Nature


今年6月，NUS ECE的Qiu Cheng-Wei課題組聯合紐約城市大學、澳大利亞亞蒙納士大學，將「魔角」工作推廣一步，不是控制電子，而是發現了雙層材料中的「光學魔角」，控制光在材料中高密度聚焦、精準控制、超低損耗傳播。相關工作雨6月11日發表於Nature，第一作者為ECE的Hu Guangwei。


圖片來源：phys.org


這項工作使用了一種天然的二維材料——有較好光學性能的雙層⍺相三氧化鉬（α-MoO3）。實驗表明，將兩層α-MoO3材料相對旋轉，就能夠控制這種各向異性材料中聲子極化子（phonon polaritons）的光散射，當轉至「魔角」時，材料能帶從雙曲形拓撲轉變為橢圓形，其中的光學能帶和魔角石墨烯中的電子能帶一樣變成平帶，極化子得以隧穿。表現為近紅外區域的光子被限制、聚焦成納米級別的直線光束，光能量的衍射衰減也很低。實驗觀察證明了此前課題組對雙層旋轉二維材料光學波函數與能帶耦合的理論研究。


圖片來源：Nature


Qiu Cheng-Wei老師表示，這項工作首次實現了將電子傳輸中的研究發現應用到對光的控制當中，這裡要注意的是：電子和光子的物理性質有很大的不同。該項工作拓展了「轉角電子學」、「極化子學」的領域，在納米成像、納米級光傳播、能量傳輸和量子力學等領域都有潛在的應用。


Qiu, Cheng Wei 副教授


研究興趣：雷射物理，牽引光束，矽基納米光子學，光力學，石墨烯超材料/電子學，超材料天線和波導等。


參考文獻：

Hu, G., Ou, Q., Si, G. et al. Topological polaritons and photonic magic angles in twisted α-MoO3 bilayers. Nature 582, 209–213 (2020). https://doi.org/10.1038/s41586-020-2359-9

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