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近場光學顯微鏡多重光學魔角取得突破性進展,，實現(xiàn)面內(nèi)360°全角度調(diào)控,！
轉(zhuǎn)角范德華材料所展現(xiàn)的一系列非凡物理特性,，包括但不限于其超導性、分形量子,、霍爾效應和納米級光子晶體結(jié)構,，為光子在納米尺度上的傳播調(diào)控提供了潛在的抓手。所謂轉(zhuǎn)角范德華材料,，一般是指將兩層或多層各向異性二維材料進行堆疊并保持一定轉(zhuǎn)角,，由此可以觀測到光場能量沿著特定方向低損耗且無衍射地傳播。
截至到目前,，盡管很多轉(zhuǎn)角材料,，如雙層石墨烯，三層石墨烯和對雙層石墨烯等,，都在各種研究中展現(xiàn)出了有趣的物理特性,，但具體到上述轉(zhuǎn)角傳播特性，雙層α-MoO3是較為優(yōu)秀的,。不過,，這種雙層結(jié)構也具有巨大的局限性：即兩層材料間只存在一個轉(zhuǎn)角值。也就是說,，這種材料的光子傳播方向和激發(fā)所需的頻率已經(jīng)被轉(zhuǎn)角值和材料厚度鎖死了,，無法借此生成全角度可調(diào)的器件,。
為此，研究者利用自主搭建的微操控平臺,，生成了基于雙層α-MoO3的三層α-MoO3,。因其兩兩材料之間的轉(zhuǎn)角值可以進行精確控制，材料生成的靈活性有了顯著提高,。在此基礎上,，研究人員基于二維模型，考慮了材料厚度與空氣層的存在,，建立了更加普適的理論模型。通過計算三層轉(zhuǎn)角α-MoO3體系中極化激元等頻線,，得出了通過改變?nèi)龑应?MoO3晶體轉(zhuǎn)角,，理論上可以實現(xiàn)納米紅外光場低損耗、無衍射傳播的面內(nèi)全角度調(diào)控（0-360°）的結(jié)論,，且這種結(jié)論是在寬光譜頻率下有效的,。就此，研究的重點落在上述結(jié)論的實驗證明,。
（1）光子極化激元傳播的全角度可調(diào)
研究者通過組合不同層材料之間的轉(zhuǎn)角值,，獲得了各種角度的光子低損耗無衍射傳播。這種傳播是通過Neaspec 10 nm 超高分辨散射式近場光學顯微鏡-neaSNOM觀測的,。氧化鉬表面的金納米天線可以有效的聚焦紅外光,，從而激發(fā)極化激元。通過針尖散射,，設備收集到了信噪比非常高的光學振幅信號,。該信號的成像在納米尺度上反映了極化激元的傳播方向。
超高分辨散射式近場光學顯微鏡-neaSNOM
下圖中,，作者展示了θ1-2=30°, θ1-3 =-90°,，θ1-2=30°, θ1-3 =-90°，θ1-2=30°, θ1-3 =-40°時的光學振幅成像,?？梢园l(fā)現(xiàn)，極化激元在以上三種堆疊角度下分別呈140°,，80°和50°傳播,。這與模型預測的值十分接近。通過組合不同堆疊角度并利用超高分辨散射式近場光學顯微鏡-neaSNOM順利可視化地驗證了所有轉(zhuǎn)播角度的可調(diào)性,。
（2）光子極化激元傳播的寬光頻譜特性
研究者表示三層α-MoO3不但具有全角度可調(diào)性,，還對激發(fā)光源的頻率適配性更強，可以使用的頻譜更寬,。該特性的驗證依然借助了超高分辨散射式近場光學顯微鏡-neaSNOM,，通過使用不同頻率的激發(fā)光源聚焦針尖并收集散射的信號,，研究者可以獲得納米尺度高信噪比的光子極化激元對應不同激發(fā)頻率的傳播成像。
下圖中,，研究者使用波數(shù)為901 cm-1,，909 cm-1，917 cm-1,，和930 cm-1的激發(fā)光源分別生成極化激元,。結(jié)果顯示，在材料結(jié)構固定的情況下,，所有極化激元的傳播角度都維持在了50°,，很好地驗證并展示了材料的寬光譜特性。而超高分辨散射式近場光學顯微鏡-neaSNOM所配備的高波數(shù)分辨率中紅外激光器,，也為不同波數(shù)下的成像研究提供了先決條件,。
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綜上，研究者通過生成三層α-MoO3結(jié)構,，彌補了雙層α-MoO3中存在的不足,，使得極化激元的全角度可調(diào)以及寬光譜適配性成為了可能。有助于推動“轉(zhuǎn)角光子學”在光信息傳輸,、納米成像,、集成光子電路、光熱轉(zhuǎn)換等多領域的應用,。
參考文獻：
[1]. Duan, J., álvarez-Pérez, G., Lanza, C. et al. Multiple and spectrally robust photonic magic angles in reconfigurable α-MoO3 trilayers. Nat. Mater. (2023).
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