為什么是光子？

戴慶研究員介紹說，與電子相比，光子具有速度快、能耗低、容量高等諸多優(yōu)勢，被寄予未來大幅提升信息處理能力的厚望。因此，光電融合系統(tǒng)被認(rèn)為是構(gòu)建下一代高效率、高集成度、低能耗信息器件的重要方向。

光電融合基于光電互聯(lián)(電-光-電轉(zhuǎn)換)原理，充分發(fā)揮光傳輸、電計算的優(yōu)勢，有望解決現(xiàn)有光電互聯(lián)技術(shù)效率低、速度慢、體積大等問題，從而進(jìn)一步提升光電融合器件的性能。然而，光子不攜帶電荷且光的傳輸受限于光學(xué)衍射極限，相比于能輕易通過電學(xué)調(diào)控的電子，對光子的納米尺度局域和操控并不容易。

“光電互聯(lián)是光電融合的重要基礎(chǔ)，它相當(dāng)于光電兩條高速公路交匯的收費(fèi)站，而構(gòu)筑極化激元光電互聯(lián)相當(dāng)于將原來的收費(fèi)站改造成立交橋，從而能夠大幅增加通道和提升信息處理的速度。”戴慶解釋說，利用簡便的層狀材料堆疊，便可以實現(xiàn)奇異的光學(xué)調(diào)控功能。

有哪些重要突破？

此次研究過程中，中國科學(xué)家團(tuán)隊率先提出利用極化激元作為光電互聯(lián)媒介的新思路，近期發(fā)現(xiàn)低對稱晶體中的新型極化激元模式，又提出并建立層狀材料堆疊調(diào)控極化激元的重要機(jī)制。

該團(tuán)隊通過十多年不懈努力，實現(xiàn)極化激元的高效激發(fā)和長程傳輸。在此基礎(chǔ)上，他們設(shè)計并構(gòu)筑微納尺度的石墨烯/氧化鉬兩種異質(zhì)材料的堆疊結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)用一種極化激元調(diào)控另一種極化激元開關(guān)的“晶體管”功能。該晶體管可實現(xiàn)光從常規(guī)正折射到負(fù)折射的動態(tài)調(diào)控，為構(gòu)筑與非門等光邏輯單元提供重要基礎(chǔ)。

這項研究充分發(fā)揮不同材料的納米光子學(xué)特性，從而突破了傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)光學(xué)方案如使用人工結(jié)構(gòu)(超材料和光子晶體等)在波段、損耗、壓縮和調(diào)控等多個方面的性能瓶頸。

戴慶指出，科研團(tuán)隊在基礎(chǔ)研究方向瞄準(zhǔn)“如何突破光學(xué)衍射極限”這一科學(xué)問題，在關(guān)鍵核心技術(shù)上以攻克高速光電互聯(lián)這一世界技術(shù)難題為目標(biāo)，提出利用范德華層狀材料極化激元構(gòu)筑納米至原子尺度的光電互聯(lián)新方案。

該方案充分發(fā)揮極化激元對光的高壓縮和易調(diào)控優(yōu)勢，避免原有光電效應(yīng)引起的問題。極化激元不僅有望實現(xiàn)高效光電互聯(lián)，還可以提供額外的信息處理能力，從而進(jìn)一步提升光電融合器件的性能。

什么是極化激元？

作為本次研究突破的主體，極化激元是什么呢？

論文第一作者、國家納米科學(xué)中心副研究員胡海解讀稱，極化激元是一種由入射光與材料表界面相互作用形成的特殊電磁模式，也可以認(rèn)為是一種光子與物質(zhì)耦合形成的準(zhǔn)粒子。它具有優(yōu)異的光場壓縮能力，可以輕易突破光學(xué)衍射極限從而實現(xiàn)納米尺度上光信息的傳輸和處理。

戴慶表示，科研團(tuán)隊利用電學(xué)柵壓對極化激元這種光波的折射行為實現(xiàn)了動態(tài)調(diào)控，使其從常規(guī)的正折射轉(zhuǎn)變到奇異的負(fù)折射�！斑@就好比可以像操縱電子一樣操縱光子，從而為將來高性能光電融合器件與系統(tǒng)的發(fā)展提供重要促進(jìn)作用”。

研究團(tuán)隊認(rèn)為，這項研究在應(yīng)用上面向光電融合器件走向大規(guī)模集成缺乏高效、緊湊光電互聯(lián)方式的重大需求，在科學(xué)上為解決突破衍射極限下高效光電調(diào)制的難題提供新思路。

相關(guān)鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adf1251