北理工团队发现二维材料双层结构中光学拓扑性调控新机理

日前，北京理工大学物理学院姚裕贵教授、王冲特别研究员，以及复旦大学物理系的晏湖根教授和新加坡国立大学的仇成伟教授合作，共同揭示了操控双层薄膜中的极化激元的光学拓扑性的新机制。相关研究题目为《扭转角度和膜厚比调控双层范德瓦尔兹薄膜中的极化激元》（Twist-Angle and Thickness-Ratio Tuning of Plasmon Polaritons in Twisted Bilayer van der Waals Films），成果被发表在《纳米快报》（Nano Letters）上。

近年来，具有定向传播特性、高光场局域性和超高态密度的双曲型等离激元模式受到人们广泛关注，并在等离激元传播和操控、纳米尺度成像、负折射率和自发辐射调控等方面有广泛的应用前景。近期，基于各向异性二维材料的天然双曲表面由于摆脱了微纳结构限制，具有更高的光场局域性和光子态密度，成为当前研究的重点方向。通过调控双曲区间的频率范围，可以实现极化激元拓扑性从椭圆到双曲的拓扑相变，同时对应了极化激元光场局域能力和态密度的改变。因此，实现双曲等离激元调控对于光束传播操控、自发辐射和热辐射的可控调制具有重要意义。

构造二维材料双层转角结构为调控天然双曲极化激元提供了一种重要方法。通过改变两层各向异性二维材料之间的转角，可以实现从双曲到椭圆拓扑性的调控。然而，一方面，双层转角结构中极化激元拓扑性的调控机理还需进一步研究；另一方面，该结构中另一个重要的自由度——“两层材料的厚度比”，对极化激元拓扑性的调控能力仍然不清楚。

针对以上问题，研究人员选择最近发现的天然双曲等离激元材料WTe2作为研究对象，并制作了双层转角结构。通过改变旋转角度（Twist Angle）和薄膜厚度比（Thickness Ratio），研究人员详细研究了双层结构中天然双曲区间频率的变化。研究团队分析了非图案化薄膜的消光光谱，并对斜带状阵列中等离子体极化激元强度的偏振依赖性进行了细致研究。两种探测方法均表明，通过改变薄膜厚度比和双层旋转角，可以实现极化激元拓扑性从双曲区间向椭圆区间的转变。研究表明，这种调控的关键在于双曲薄膜整体表现的表面光学导电率，可以通过将两个薄膜的光学导电率值相加得到。这种方法为所观察到的膜厚比和扭转角度可调拓扑转变提供了明确且一致的解释。

姚裕贵团队的王冲特别研究员与复旦大学博士生谢元钢为文章的共同第一作者。姚裕贵教授、晏湖根教授及仇成伟教授为通讯作者。北京理工大学为文章第一单位。该工作得到了国家重点研发计划和国家自然科学基金委的资助。

图1 WTe2双层薄膜结构双曲区间随薄膜厚度比和扭转角度依赖关系。

图2 双层薄膜结构两个方向电导率虚部比值随薄膜厚度比和扭转角度依赖关系。实线为双层电导率相加模型拟合结果。

文章链接： https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.3c01472