高大上系列L之廿四：超表面石墨烯讓全息光學器件實現
2018-11-05
自由地調控光 (電磁波) 是人類的夢想，但是自然材料對電磁波的調控能力非常有限。為了解決這一難題，人們提出了人工超材料的概念，它可以逐步實現自然材料無法企及的諸如負折射、超聚焦、電磁隱身等奇異物理現象。一束正入射的光，通過改變材料的「反射相位分布」，就可以實現 30 度出射或 80 度出射。想得到這種奇特的材料，最關鍵的技術，是實現電磁波相位的自由調控，這既是此項研究最重要的突破，也是光子學研究中的核心問題。啥是電磁波的相位？復旦大學教授周磊介紹道：「所有的波都有振幅和相位，電磁波也不例外。「振幅」決定了一支波的最大振動範圍，而相位決定了波的值什麼時候大，什麼時候小。」它是描述波是否處于波峰、波谷或它們之間某點的一種標度。比如一支波當其相位為零時，波達到最大值；相位為 90 度時，波為零；相位為 180 度時，波又到達負的最大值，如此類推，循環往複。
「相位調控的重要作用在於，如果材料上每一點的反射相位不同，就可以使光打到上面時入射角和反射角不同」，周磊舉例說，比如一束正入射的光，通過改變材料的反射相位分布，就可以實現 30 度出射或 80 度出射等等。事實上，幾年前周磊課題組在一項發表於《Nature Materials》的研究中就已實現光反射角度的改變。「但我們先前的研究是死的、被動的，材料一旦做好了就只能讓光以特定角度射出。而用現在新的機理，每一點的相位理論上都是動態可調的，通過相位改變能對光產生不同的干涉效果，按需要打到不同的方向。對石墨烯而言，只要往裡面填一點電子，它的光學響應、對光的反射率，就會發生巨大變化。是通過什麼樣的方式，成功實現對電磁波相位的動態、大幅調控呢？他們想到了一個新奇的辦法——通過對石墨烯施加電壓調節其吸收，進而調控石墨烯相關體系的共振特性，使其實現從「欠阻尼」到「過阻尼」的共振演化。
一個振子在振動時因遭受空氣阻力而產生能量損耗，振幅隨時間推移越來越小，這就叫振動的「阻尼」。周磊介紹說：「當阻尼很小的時候，對振動的作用很小，這就是『欠阻尼』振動，這時電磁波的相位會隨著頻率的變化而發生很大的變化；當阻尼很大時，比如將一架小鞦韆放入一桶油裡面，這個鞦韆可能連一次振動都不做到就停下來了，這種振動模式就叫做『過阻尼』振動，這時頻率雖然變化，可電磁波相位甚至動都不動，根本就不響應。」也就是說，從欠阻尼到過阻尼的演化過程中，相位也從一個能夠產生很大變化的區域，一下子到了一個不怎麼變的區域，這就使得相位調控的範圍可以很大。先前一些只在一個固定的過阻尼或欠阻尼區域內進行調控的研究，能實現的調控範圍就很小，比如只有 30 度。「我們的研究原則上能做到 360 度整個相位全覆蓋。」周磊表示。
什麼物質能有如此靈敏的光學響應，讓研究團隊最終制出了神奇的反射材料？答案要從石墨烯中找。「石墨烯最大的好處就在於它的光學響應可通過施加電壓進行很好的調製。如果一般的銅、金、銀這些金屬，你也可以給它加電壓、填電子，但它裡面電子已然數目異常巨大，往裡加個把電子，它『看不見』，光學響應沒什麼變化」，周磊指出，而對石墨烯，只要往裡面填一點電子，它的光學響應、對光的反射率，就會發生巨大變化。其絕對變化不會太大，但相對變化會非常劇烈。所以研究團隊想到了用它來和超表面結合，製成特殊材料。「我們的發現，為實現基於大幅相位調控的光子器件，打下了堅實的基礎」
「超表面」是一種對光學有著奇異響應的金屬結構表面陣列，但這種奇異的響應是動不了的，一旦設計好了，其性質就不發生變化。於是就想到用石墨烯把它調得能夠實現動態變化，不僅能夠動態調控，石墨烯與超表面耦合在一起的反射體系，還具有超薄、極小的特點。用傳統液晶及其他半導體材料製成的相位調製體系的厚度，如果以光的波長為單位來衡量，通常需是波長的很多倍，而石墨烯超表面的厚度則只有十分之一個波長。不僅超薄，在光斑橫向的尺度上，這種新材料也能做到極小。最後，作為應用實例，研究還展示了一個基於石墨烯超表面的太赫茲偏振調節器。周磊指出：「太赫茲波段的波長所對應的尺度大概是幾十到上百微米，這個波段是非常重要有用的，但是在該波段內能做出一些動態器件卻是很不容易的。總之，我們的發現，為實現基於大幅相位調控的光子器件，打下了堅實的基礎。」
Ref.,:
- Physical Review X, 2015, 5, 041027. | DOI:10.1103/PhysRevX.5.041027.
- Nature Materials, 2012, 11, 426-431. | DOI: 10.1038/NMAT3292.
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