极化激元的超精细调控

声子极化激元（PhPs）是光子与声子耦合形成的混合准粒子，因其具有深亚波长局域性和低损耗传播特性，在纳米光子学领域具有重要应用。其中，在低晶格对称性天然材料中存在的双曲声子极化激元（HPhPs），为纳米尺度下光-物质相互作用的定向调控提供了独特平台。体积受限双曲声子极化激元（v-HPhPs）是限制在薄膜内的极化激元波导模式，通过调控薄膜厚度、层间扭转或介电环境等，已实现等频率轮廓拓扑转变、负反射/折射等现象，并展现出振动强耦合、多模增强品质因子和亚波长成像等优势。然而，材料的声子极化激元响应一旦制备完成便通常固定不变。尽管石墨烯厚度仅为原子级，却能有效调制数百纳米厚薄膜的v-HPhP响应，其可调性源于石墨烯等离激元和v-HPhPs的杂化。但石墨烯的电学掺杂范围有限，且传统背栅方式受衬底介电常数影响，调谐效率受限。本研究首先从理论上探究了石墨烯等离激元对v-HPhPs的调谐效率，发现石墨烯位于v-HPhP薄膜/空气界面（c1构型）时的调谐效率显著高于位于薄膜/衬底界面（c2构型）。以α-MoO3为例，在σi/σ0=2时，c1构型的调谐效率达32%，而c2构型仅为16%，在费米能级约0.4 eV时效率可达约60%。为实现c1构型的电学调谐，研究提出并实验验证了层间偏压双层石墨烯（DLG）方案：两层石墨烯被薄介电层（如hBN）分隔，施加层间偏压可调控费米能级。DLG的光学等离激元模式与单层石墨烯等效，且等效费米能级接近单层的两倍。实验中，将DLG集成于α-MoO3薄膜/空气界面，通过调节层间偏压，v-HPhP波长从0.6 V时的310 nm增至2.4 V时的457 nm，等效费米能级达0.68 eV（约为传统电学调谐的两倍），同时实现了等频率轮廓的拓扑转变和面内能量传播方向的动态切换。该成果突破了衬底限制，将调谐范围扩大近一倍，工作电压低至1 V，为片上动态热管理、超灵敏生物传感等应用提供了可能，有望推动纳米光子学中负折射、光束转向和亚衍射成像等领域的发展。