四川大學(xué)：下一代超小型多功能光子芯片研發(fā)新途徑

近日，四川大學(xué)物理學(xué)院教授李志強(qiáng)團(tuán)隊(duì)與合作者在研究中，首次發(fā)現(xiàn)了通過漸變二維體系對納米光進(jìn)行開關(guān)與調(diào)控的新機(jī)制，為新型納米光子技術(shù)的發(fā)展提供了重要科學(xué)支撐，并為下一代超小型多功能光子芯片的研發(fā)開辟了全新途徑。相關(guān)成果發(fā)表于《科學(xué)進(jìn)展》。

量子科技是當(dāng)今世界的重要戰(zhàn)略科技方向，而光子技術(shù)則是這一領(lǐng)域的核心驅(qū)動(dòng)力之一。如果我們將光子作為信息的載體，把它們集成在一個(gè)小小的芯片上并進(jìn)行納米尺度的精準(zhǔn)操控，信息處理能力就能夠在速度和功能上迎來質(zhì)的飛躍。

在這項(xiàng)研究中，研究人員首次在二維材料中發(fā)現(xiàn)了一種空間漸變的多功能光子平臺(tái)，這是一種具有空間不均勻光學(xué)響應(yīng)的超薄介質(zhì)，通過二維材料中光子與物質(zhì)耦合產(chǎn)生的準(zhǔn)粒子（即極化激元），能夠把光壓縮至納米尺度從而進(jìn)行精確調(diào)控。

相比傳統(tǒng)調(diào)控技術(shù)，這種新型光子平臺(tái)具有損耗低、尺寸小和光壓縮能力強(qiáng)等巨大優(yōu)勢，而且能夠?qū)崿F(xiàn)許多前所未有的尖端納米光子學(xué)功能，例如原子厚度薄層中的變換光學(xué)、波前工程等，為下一代光子芯片的研發(fā)及廣泛應(yīng)用提供了全新視角和方法。

該研究的核心創(chuàng)新點(diǎn)在于研究人員在堆疊二維材料形成的莫爾超晶格中發(fā)現(xiàn)了一種嶄新的納米光調(diào)控機(jī)制。轉(zhuǎn)角雙層石墨烯中存在具有不同堆疊方式的區(qū)域，就好像國際象棋棋盤的黑白區(qū)域，相鄰區(qū)域之間存在邊界（即疇壁）。

研究人員發(fā)現(xiàn)，通過改變疇壁的局部應(yīng)變方向，能夠?qū)崿F(xiàn)極化激元與疇壁相互作用的開關(guān)操作和連續(xù)調(diào)控，這一現(xiàn)象源于疇壁中的一維（拓?fù)洌┝孔討B(tài)隨著應(yīng)變方向改變而發(fā)生的巨大變化。他們進(jìn)一步展示了莫爾疇壁超晶格可以構(gòu)成天然的漸變極化激元表面，疇壁網(wǎng)絡(luò)的空間變化可以在約10納米的尺度實(shí)現(xiàn)光與物質(zhì)相互作用的空間開關(guān)與空間調(diào)控，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)極化激元波前、相位和傳播方向的操控。

近年來，隨著二維疇壁控制技術(shù)的快速發(fā)展，該研究展示的疇壁超晶格將有望實(shí)現(xiàn)集成光子芯片的功能，在納米尺度對光子進(jìn)行靈活多樣的“可編程”開關(guān)和操控。此研究工作為納米光的量子調(diào)控提供了全新方案，將大大推動(dòng)“莫爾量子光子學(xué)”的發(fā)展，為新型光子芯片研發(fā)及其在上述多個(gè)重要領(lǐng)域的應(yīng)用開辟了全新道路。

論文鏈接：https://doi.org/10.1126/sciadv.adq7445