光子可以像電子一樣作為信息載體來生成、處理、傳輸信息。與電子相比，光子作為信息載體具有速度快、帶寬高、容量大的優勢。光子芯片有望解決電子芯片解決不了的功耗、訪存能力和計算機整體性能等難題，被認為是下一代通信技術（光通信）的基礎設施。雖然光子芯片的研究已經取得了非常多的重要進展，但下一代納米光電芯片的開發、集成和應用一直存在兩個關鍵問題：1. 光場衍射限制了光電器件的小型化和集成化（光場局域問題）；2. 光子的玻色子屬性導致光與物質相互作用較弱，與電子相比光子更難操控（光場操控問題）。納米光子學中利用極化激元（光子與其它粒子耦合產生的特殊電磁模式）實現光學通路及其片上集成是光子芯片研究的前沿方向。極化激元的高光場局域特性有望解決光場局域問題，其半光-半物質屬性也為解決光場操控問題提供了有力手段。此前，北京理工大學物理學院姚裕貴教授團隊成員段嘉華教授與西班牙奧維耶多大學Pablo Alonso Gonzalez教授合作，在三層轉角氧化鉬材料中發現了多重“光學魔角”，極化激元所有波矢分量對應的波印廷矢量均指向同一方向，即光場能量沿著特定方向低損耗且非衍射傳播，是紅外光的天然納米波導。相關工作發表于Nature Materials [22, 867 (2023)],并入選2023年中國光學十大影響力事件。然而，多層轉角結構制備過程較為復雜，精確控制轉角和二維材料厚度需要進行多次材料制備和樣品對準過程，不利于非衍射極化激元的實際應用。據麥姆斯咨詢報道，近日，北京理工大學物理學院姚裕貴教授團隊成員段嘉華教授與西班牙奧維耶多大學Pablo Alonso Gonzalez教授再次合作，通過精確調控極化激元材料的介電環境，在單個氧化鉬薄層中實現了極化激元的非衍射傳播，從而避免了轉角結構所需的復雜樣品制備過程。在此基礎上，研究人員提出了基于極化激元非衍射傳播的超分辨光學成像方案，成像分辨率為入射光波長的220分之一。這項研究以“Canalization-based super-resolution imaging using an individual van der Waals thin layer”為題發表在Science Advances期刊上。圖1展示了不同介電環境對單個氧化鉬薄層中極化激元傳播行為的調制作用。圖2展示了碳化硅襯底上氧化鉬材料中極化激元的近場光學圖像。研究人員基于納米級空間分辨率的紅外近場光學成像技術對極化激元傳播行為進行實空間成像。圖1 單個氧化鉬薄層中的低損耗和寬帶聲子極化激元（PhP）通道化圖2 單個氧化鉬薄層中低損耗和寬帶PhP通道化的可視化圖3展示了基于極化激元非衍射傳播的超分辨成像方案。研究人員將氧化鉬材料旋轉，可以上表面的不同位置處重現金納米天線的電磁場分布，在光信息傳輸、光電探測、分子檢測等多個領域具有應用潛力。綜上所述，這項研究展示了一種以前未探索的PhP通道化類型存在于單個氧化鉬薄層中，與扭曲堆棧相比，該薄層不僅簡化了制備過程，還表現出廣泛的光譜覆蓋范圍和低光損耗。這項研究為使用高度準直PhP的集成平面光學、納米級信息傳輸和熱管理應用開辟了途徑。https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.ads0569延伸閱讀：
《量子傳感器技術及市場-2025版》
《光學和射頻應用的超構材料-2024版》
《光學和射頻領域的超構材料和超構表面-2024版》
《超構透鏡（Metalens）專利態勢分析-2024版》
