中國網/中國發展門戶網訊 奈米尺度的光電融合是未來高性能資訊器件的重要發展路線。如何在微納，甚至原子尺度對光進行精準操控是其中最關鍵的科學問題。國家奈米科學中心的戴慶研究團隊率先提出利用極化激元作為光電互聯媒介的新思路，充分發揮它對光的高壓縮和易調控優勢，不僅有望實現高效光電互聯，還可以提供額外的資訊處理能力，從而進一步提升光電融合系統的性能。
該團隊通過十多年的不懈努力，實現了極化激元的高效激發和長程傳輸。在此基礎上，設計並構築了微納尺度的石墨烯/氧化鉬范德華異質結，實現了用一種極化激元調控另一種極化激元開關的“光電晶體”功能。研究表明該電晶體可實現光正負折射的動態調控，類似電子電晶體能切換（1,0）兩個高低電位，為構築與非門等光邏輯單元提供重要基礎。該研究充分發揮了不同材料的奈米光子學特性，從而突破了傳統結構光學方案如使用人工結構（超材料和光子晶體等）在波段、損耗、壓縮和調控等多個方面的性能瓶頸。相關研究于2月10日線上發表在國際學術期刊《科學》。
與電子相比，光子具有速度快、能耗低、容量高等諸多優勢，被寄予未來大幅提升資訊處理能力的厚望。因此光電融合系統被認為是構建下一代高效率、高整合度、低能耗資訊器件的重要方向。光電互聯（電—光—電轉換）是光電融合主的基礎，相當於光電兩條高速公路交匯的收費站。而現有硅基光電整合方案存在效率低（依賴多次光電效應）、體積大（光模組無法突破衍射極限）等問題，嚴重制約光電器件之間的資訊流轉。然而，光子不攜帶電荷且光的傳輸受限于光學衍射極限，相比于能輕易通過電學調控的電子，對光子的奈米尺度局域和操控並不容易。
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（表面波）。它具有優異的光場壓縮能力，可以輕易突破光學衍射極限從而實現奈米尺度上光資訊的傳輸和處理。
研究團隊以攻克高速光電互聯這一世界技術難題為目標，率先提出利用奈米材料的表面波（極化激元）做為媒介，實現高效光電互聯的新思路。構築光—極化激元—電轉換路徑相當於將高速公路的收費站改造成立交橋，具有顯著優勢：1. 效率高。光/電激發材料表面波的效率相比光電效應提升潛力巨大；2. 整合度高。光波轉化成材料表面波可將波長壓縮百倍輕鬆突破衍射極限，從而顯著提升光模組整合度；3. 算力強。材料表面波具有光子性質可進行高效並行計算，從而將現有光電融合的“光傳輸、電計算”拓展成為“光傳輸、電計算+光計算”，實現“1+1>2”的效果。
團隊負責人戴慶研究員指出，“我們利用電學柵壓對極化激元這種光波的折射行為實現了動態調控，使其從常規的正折射轉變到奇異的負折射。這就好比可以像操縱電子一樣操縱光子，為將來高性能光電融合器件與系統的發展提供重要促進作用。這項研究在應用上面向光電融合器件大規模整合缺乏高效、緊湊光電互聯方式的重大需求，在科學上為解決突破衍射極限下高效光電調製的難題提供新思路”。
2月10日，相關研究成果發表在國際學術期刊《科學》。“這是一項非常有趣的研究。”該論文審稿人評價説，“這證實了一項非常規的物理現象，為研究奈米尺度的光操控提供了嶄新的平臺。”
圖示極化激元電晶體的基本原理，通過在氧化鉬上覆蓋石墨烯構築范德華異質結，天線激發極化激元傳輸穿過界面後形成負折射。
極化激元電晶體的光學顯微鏡照片