本報訊(記者朱漢斌)近日,中國科學(xué)院外籍院士、香港大學(xué)校長張翔團(tuán)隊攜手武漢大學(xué)教授劉曉澤團(tuán)隊、華南師范大學(xué)副研究員陳祖信團(tuán)隊等,在天然二維磁性半導(dǎo)體CrSBr領(lǐng)域取得重大突破。聯(lián)合團(tuán)隊首次實(shí)驗(yàn)觀測到由材料磁序介導(dǎo)的激子負(fù)折射現(xiàn)象,并依據(jù)此原理成功研制出可集成于芯片上的微型“激子超透鏡”。相關(guān)成果發(fā)表于《自然-納米技術(shù)》。
陳祖信指出,該研究構(gòu)建了利用磁序操控納米光傳播的全新范式,為開發(fā)新一代磁光器件、片上超分辨成像系統(tǒng)以及光-磁量子接口筑牢了關(guān)鍵根基。該成果有望直接推動緊湊可調(diào)磁光調(diào)制器、片上超分辨成像、光-磁量子接口等下一代器件的研發(fā)進(jìn)程,為集成光子學(xué)與量子信息技術(shù)提供關(guān)鍵材料與物理支撐。
激子作為半導(dǎo)體中電子-空穴對的復(fù)合體,雖在光吸收與發(fā)射過程中占據(jù)主導(dǎo)地位,但其在操控光傳播(尤其是實(shí)現(xiàn)負(fù)折射)方面的潛力,長期未能得到實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。理論上,二維材料中的強(qiáng)激子共振可形成獨(dú)特的“雙曲”色散,為實(shí)現(xiàn)激子負(fù)折射提供了可能,然而其實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)與調(diào)控一直面臨重重挑戰(zhàn)。
范德華層狀磁體CrSBr在低溫下呈現(xiàn)出層內(nèi)鐵磁、層間反鐵磁的獨(dú)特序構(gòu),且其強(qiáng)各向異性激子共振與磁序緊密耦合。研究發(fā)現(xiàn),在磁有序相狀態(tài)下,磁序會顯著增強(qiáng)CrSBr沿特定晶軸方向的激子共振,致使該方向介電常數(shù)實(shí)部為負(fù),進(jìn)而形成支持負(fù)折射的“雙曲”光學(xué)等頻面。為直觀觀測這一現(xiàn)象,團(tuán)隊將CrSBr薄片與精密設(shè)計的片上納米光子回路集成,通過波導(dǎo)引導(dǎo)光至材料邊界,最終在遠(yuǎn)場直接捕捉到出射光與入射光分居法線兩側(cè)的負(fù)折射圖像。
基于這一效應(yīng),團(tuán)隊進(jìn)一步成功構(gòu)建出“激子超透鏡”器件,通過調(diào)控材料本身波長依賴的負(fù)折射行為來操控入射光的波前,成功將發(fā)散光束匯聚至衍射極限尺寸的焦點(diǎn),實(shí)現(xiàn)了微納尺度的片上光場操控。尤為關(guān)鍵的是,該負(fù)折射及聚焦功能呈現(xiàn)出鮮明的“磁控”開關(guān)特性:當(dāng)溫度升高使材料轉(zhuǎn)入順磁相時,光學(xué)功能隨即關(guān)閉。這一磁序依賴的調(diào)控維度,超越了傳統(tǒng)等離激元或聲子激元體系,為發(fā)展動態(tài)可重構(gòu)的納米光子器件開辟了全新思路。