超薄谐振器为高效光操纵树立了新标准

在纳米范围（十亿分之一米）内，光和物质之间发生了在更大尺度上不会发生的相互作用。因此，所谓的纳米光子材料具有独特的光学特性，开辟了一系列技术可能性。

由LMU实验物理学教授Andreas Tittl领导的研究人员现在开发了一种方法，可以制造对相对较弱的光反应强烈的极薄光学元件。

“未来，这些薄组件可以为微型、更灵敏的传感器、更节能的计算机组件和更快的光通信铺平道路，”Tittl说。

该团队在《自然光子学》杂志上报道了他们的方法。

使用的纳米光子材料基于所谓的超表面，其具有规则的图案，通常小于光的波长。

光子谐振器是指纳米范围内的这些微小结构，它们能够改变入射电磁波（包括光）的振幅、相位和偏振。因此，有了合适的超表面，就有可能精确控制——比如储存、放大或熄灭——光束。

首先，由Tittl领导的研究人员现在将超表面的概念整合到多层2D材料中，这些材料的单层可以只由一到两个原子片组成。“最著名的2D材料是石墨烯，但实际上现在还有很多其他材料可用，”Tittl说。“你可以以晶体形式购买这些材料，在显微镜下去除单层，然后像纸一样堆叠它们。”

通过这种方式，你可以精确控制它们的原子排列，获得具有强平面共价键和弱层间相互作用的材料。专家们将这些称为范德华材料，它们是现代材料研究的重要焦点。

然而，Tittl解释说：“在此之前，文献仅限于多种2D材料的宏观堆叠。”。他的团队利用了一种额外的纳米光刻工艺，为范德华堆叠添加了更多的结构参数，从而放大了超表面上的光物质相互作用。“因此，我们没有将2D材料放置在单独的现成纳米结构上，也没有使用笨重的外部光学谐振器，而是将谐振结构直接放入vdW堆叠中，”Tittl说。研究人员将以此方式创建的组件命名为“范德瓦尔斯异质结构超表面”，简称vdW HM。

具体来说，该团队与慕尼黑工业大学Achim Hartschuh教授领导的一个小组的研究人员合作，在几个六方氮化硼保护层之间填充了一个单独的二硫化钨半导体层WS2。

使用光刻技术，研究人员随后将周期性结构加工到这种材料堆叠中，光与之有效相互作用：材料中的电子被入射光激发并与光粒子（光子）耦合。

专家称这些混合轻物质粒子为“激子极化子”。它们既具有材料特性，又具有类光特性，可以凝聚——类似于玻色-爱因斯坦凝聚，这是一种极端的物质状态，其中绝大多数粒子都处于同一量子力学状态。

与超过100000名依赖Phys.org获取日常见解的订阅者一起探索科学、技术和太空的最新进展。注册我们的免费时事通讯，每天或每周获取重要突破、创新和研究的最新进展。

为了获得光与物质之间尽可能高的相互作用并控制不必要的衍射，研究人员进行了理论建模和模拟。因此，他们能够优化vdW HM，最终得到纳米光子成分，即使在比之前报道的低1000倍以上的光强度下也能反应。

“本质上，我们已经开发出超薄谐振器，可以非常有效地捕获光，这样我们就可以使用它，”Tittl团队成员、该研究的主要作者Luca Sortino解释道。

“可以说，我们现在有了一个工具包，可以将这两个材料科学概念结合起来，并将这个模型扩展到许多其他二维材料，”Sortino说。因此，有可能开发出具有定制光电特性的各种纳米光子元件。索蒂诺透露，研究人员现在正计划进一步研究这种潜力。

他们希望vdW HM将促进具有新功能的超薄平面光学元件的开发。

潜在的应用包括，例如，快速光学开关、神经形态计算、所谓的极化子激光器（可能直接内置于芯片中）以及研究量子现象的新平台。p