晏湖根课题组首次在二维材料中证实天然存在的双曲型等离激元
发布时间: 2020-03-03     文章作者:     访问次数: 248

近日,我系晏湖根课题组首次在二维材料二碲化钨(WTe2)中观测到了远红外波段的二维双曲型等离激元共振模式,首次在天然材料中实验证明存在功能等同于双曲等离激元超构表面的二维材料。33日,该研究成果以《天然双曲型等离激元表面:二碲化钨范德瓦尔斯薄膜》(“Van der Waals thin films of WTe2 for natural hyperbolic plasmonic surfaces”)为题在线发表于《自然·通讯》(Nature Communications)。我系博士后王冲为论文第一作者,晏湖根教授为通讯作者,相关工作得到了国家自然科学基金委、科技部重点研发计划、复旦大学、表面物理国家重点实验室以及博士后面上基金等资助。

随着信息技术的不断发展,人们在享受着信息革命带来红利的同时也面临着电子芯片的物理瓶颈问题(如热效应和量子尺寸效应等)。等离激元,即在光激发下金属体内或者表面自由电子的集体震荡,因其可以突破光的衍射极限来实现更小尺寸下对光的操纵,成为了下一代信息技术的重要研究方向。近年来,具有定向传播特性和超高态密度的双曲型等离激元模式受到人们的广泛关注,其在等离激元传播和操控、纳米尺度成像、负折射率和自发辐射调控等方面有广泛的应用前景。

与传统的各向同性的金属表面所承载的等离激元模式不同,双曲型等离激元产生于具有极端各向异性材料表面。以往的实验报道都是基于微纳加工或者自组装纳米线而实现的人工超构材料和超构表面,但基于此实现的双曲等离激元在光场限制能力和态密度上有较大局限。因此,能否找到天然承载双曲等离激元模式的材料成为研究热点。虽然有理论预言在各向异性的二维材料(例如黑鳞)中存在这种双曲等离激元模式,但此前未在任何二维材料中得到实验证实。

二碲化钨(WTe2)是另一种具有面内各向异性的二维材料(图a),并因被预言是第二类外尔半金属而受到广泛关注。“该材料具有一系列新奇的电学性质,比如超高的电子迁移率和可调控的载流子浓度等。之前的体材料反射率实验证明二碲化钨在远红外波段存在面内两个方向电导率异号的区间,即双曲等离激元可以存在的区间,这使其具有很大的潜力承载双曲型等离激元模式。”晏湖根解释,但由于远红外波段实验条件的限制,这种等离激元模式始终没有被探测到。

晏湖根课题组以机械剥离的单晶二碲化钨薄膜作为研究体系(图b),通过优化傅里叶变换红外光谱仪来最大程度地降低空气中水分对远红外光谱的干扰,同时提高远红外光谱空间分辨率,成功探测到了二碲化钨薄膜中各向异性等离激元共振模式(c),并发现等离激元的频率和各向异性随温度发生明显变化。

课题组随后对各向异性等离激元共振模式的色散和强度随频率依赖关系进行了深入的研究,验证了其在1623微米波段具有双曲型等离激元的性质。课题组还通过大量的实验数据证明了等离激元在该波段中具有双曲型的等能线,成为验证双曲型等离激元的最有力证据;并且清晰观测到在波长长于23微米时,等离激元拓扑性质从双曲型转变为椭圆形(图d)。

“该工作为今后在天然材料中研究二维双曲型等离激元的传播、调控和自发辐射增强等提供了一个平台,该实验方法也可以给其他层状材料等离激元的研究提供参考。”晏湖根表示,二碲化钨是众多具有奇异性质的层状拓扑半金属的一员,相信今后会有更多新奇等离激元性质在二维材料中发现。




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