日前，华体会体育物理学院姚裕贵教授团队成员段嘉华教授与西班牙奥维耶多大学Pablo Alonso Gonzalez教授、西班牙国际物理研究中心Alexey Yu Nikitin教授合作，在转角光子学中多重光学魔角实验验证和中红外纳米光场调控方面取得重要进展。相关成果发表在国际权威期刊《Nature Materials》（Editor Featured），编辑邀请相关专家以“A twist for nanolight”为题在News & Views栏目同期报道。

纳米光子学中利用高光场局域极化激元波（光子与其它粒子耦合产生的半光-半物质电磁模式）实现光学通路及其片上集成是光子芯片研究的前沿方向。段嘉华长期从事基于二维量子材料极化激元的红外纳米光场调控研究，在极化激元新奇光学现象实验观测[Science Advances 2022, 8, eabp8486; Science advances 2021, 7, abj0127; Nature Communications 2021 12, 4325 ]和纳米尺度光场调控及其应用方面[Nature Reviews Physics 2022, 4, 578; Science Advances 2021, 7, eabf2690; Nature Materials 2020, 19, 964]取得系列成果。其中，2020年与世界其他研究小组一起首次提出“转角光子学”的概念[Nano Letters 2020, 20, 5323]，发现当两层各向异性二维材料之间转角为某一固定值（光学魔角）时，极化激元波所有波矢分量对应的波印廷矢量均指向同一方向，即光场能量沿着特定方向低损耗且无衍射传播，是红外光的天然纳米波导。然而，同一个双层转角器件只在某一特定频率下存在一个光学魔角，即针对单一频率光子的天然波导。与此同时，光学魔角下光场能量沿某一固定方向传播，传统的调控技术（例如构建折射界面、改变介电环境等）无法实现纳米光场无衍射传播的调控。

为了解决这一问题，研究人员在三层转角氧化钼晶体中发现多重光学魔角，通过转角重构实现了纳米光场无衍射传播方向的面内全角度调控（0-360°），且覆盖宽光谱频率。如图1所示，通过自主搭建的微操控平台可以精确控制三层转角氧化钼晶体中的转角度数，而通过微区拾取技术可以将制备的三层氧化钼结构进行拆分，重复上述过程可以实现转角的多次重构。基于红外纳米成像技术，研究同一个样品中转角对红外纳米光场无衍射传播的调制作用。实验发现当转角改变时，红外纳米光场的传播方向由φ_c°="50°变为φc°=90°。

图1 三层转角氧化钼晶体中的光学魔角，此时极化激元沿某一方向高度定向传播（无衍射损耗）。

通过构建多层转角结构普适的理论模型，研究人员发现三层转角氧化钼晶体中极化激元无衍射传播方向强烈依赖于转角。如图2所示，当转角（θ_1-2为第一层和第二层氧化钼晶体之间的转角，θ_1-3为第一层和第三层氧化钼晶体之间的转角）发生改变时等频线法线方向也在发生变化（例如θ_1-2 ="30°," θ_1-3 =""-40°时法线与竖直方向夹角为φc=50°，而θ_1-2 =30°, θ_1-3 =""-60°时φc=80°），即可以通过改变三层氧化钼晶体转角实现纳米红外光场低损耗、无衍射传播的面内全角度调控。可以看到，在双层转角氧化钼晶体中通过改变材料层厚、入射光频率等多个参数仅能在0-30°的范围内实现纳米光场无衍射传播方向的调控。然而，三层转角氧化钼晶体中通过改变转角（相同的三层氧化钼晶体，不改变材料层厚）可以实现纳米红外光场无衍射传播方向的面内全角度（0-360°）调控。

图2 三层转角氧化钼晶体中的多重光学魔角和极化激元无衍射传播面内全角度调控。

为了在实验上直接观测三层氧化钼晶体中转角对纳米红外光场无衍射传播的调制作用，研究人员采用了散射型扫描近场光学显微镜（s-SNOM）来表征三层转角氧化钼晶体的近场光学分布。从图3中可以看到：在三层转角氧化钼晶体中存在多个光学魔角，不同光学魔角下纳米红外光场沿不同方向低损耗、无衍射传播，与之前的理论研究一致。也就是说，通过改变转角可以在三层氧化钼晶体中实现纳米光场无衍射传播方向的面内全角度调控。

图3 不同转角三层氧化钼晶体的近场光学图像。当转角发生变化时，极化激元沿不同方向无衍射传播。

除此之外，理论研究还表明，三层转角氧化钼晶体中极化激元等频线可以在很宽的频率范围（870 cm^-1-940 cm^-1）内表现为平行直线（无衍射传播）。如图4所示，研究人员采用s-SNOM获得了不同入射光频率下三层转角氧化钼晶体的近场光学图像。当入射光频率从901 cm^-1变化至930 cm^-1时，近场光学图像与理论预言一致：金纳米天线激发的极化激元表现为沿着φ_c=""50°的方向高度定向传播（无衍射损耗）。这说明在三层转角氧化钼晶体中光学魔角具有光谱鲁棒性，可以在宽光谱范围内实现红外纳米光场的高度定向传播。

图4 三层转角氧化钼晶体中光学魔角可实现宽光谱频率极化激元的无衍射传播。

相关论文链接如下：

https://www.nature.com/articles/s41563-023-01582-5

https://www.nature.com/articles/s41563-023-01586-1