- 二维材料的“扭曲”层以“神奇”旋转角度产生光子拓扑跃迁
- 云纹双层石墨烯原理首次应用于二维材料光子学
扭曲双层(tBL) α-MoO3.
莫纳什大学的研究人员参与了一项国际合作，该合作应用了“扭电子学”概念(将二维材料分层和扭曲以控制其电学性质的科学)，以极端的方式操纵光的流动。
研究结果发表在今天的杂志上自然包括纳米成像设备在内的各种光驱动技术有望实现跨越式发展;高速、低耗能光学计算机;和生物传感器。
这是Moiré物理学和扭电子学在基于光的技术、光子学和极化电子学中的首次应用，为极端光子色散工程和二维材料上极化激元的鲁棒控制提供了独特的机会。
将扭电子学应用于光子
该团队的灵感来自于最近在一对堆叠的石墨烯层中发现的超导性，这些层被旋转到1.1度的“神奇扭曲角”。
当两层三氧化钼以光子“魔角”对齐时，两层三氧化钼支持纳米光的高度准直、定向和无衍射传播。
在这种堆叠、不对齐的配置中，电子流没有电阻，而单独地，两个石墨烯层中的每一层都没有显示出特殊的电学性质。
这一发现表明，对旋转对称性的仔细控制可以揭示意想不到的物质响应。
该研究团队由纽约市立大学研究生中心高级科学研究中心的Andrea Alù、新加坡国立大学的Qiu Cheng-Wei和莫纳什大学的qialiang Bao领导。
研究小组发现，类似的原理可以应用于以极不寻常的方式操纵光。在两层超薄的三氧化钼层之间的特定旋转角度下，研究人员能够防止光学衍射，并在所需波长的紧密聚焦光束中实现稳健的光传播。
通常情况下，放置在平面上的小型发射器发出的光会呈圆形扩散，就像一块石头落入池塘时激发的波一样。在他们的实验中，研究人员将两层三氧化钼薄片叠在一起，并将其中一层相对于另一层旋转。当材料被一个微小的光学发射器激发时，他们观察到随着旋转角度的变化，表面上广泛可控的光波。特别是，他们展示了在光子“神奇扭曲角”下，配置的双分子层支持在宽波长范围内紧密聚焦的通道光束中稳健的无衍射光传播。
欧庆东博士(莫纳什大学)与墨尔本纳米制造中心(MCN) s-SNOM设施
“虽然光子——光的量子——具有与电子非常不同的物理性质，但我们一直对扭转电子学的新发现很感兴趣，并一直想知道扭曲的二维材料是否也可以为光提供不寻常的传输性质，以有利于基于光子的技术，”Andrea Alù说。
“为了揭示这一现象，我们使用了薄层的三氧化钼。通过将两个这样的层叠加在一起，并控制它们的相对旋转，我们观察到光引导特性的戏剧性控制。在光子魔角下，光不衍射，它沿直线传播非常受限。这是纳米科学和光子技术的理想功能。”
“我们的实验远远超出了我们的预期，”莫纳什大学领导该研究实验部分的欧庆东博士说。“通过‘扭曲’堆叠两块天然2D材料的薄板，我们可以操纵红外光的传播，最有趣的是，以高度准直的方式。”
“我们的研究表明，光子的扭转电子学可以为基于光的技术打开真正令人兴奋的机会，我们很高兴继续探索这些机会，”新加坡国立大学研究生胡光伟说，他领导了理论部分。
不同旋转角度下的场分布(上面板)和相应的色散(下面板)
”后我们之前的发现2018年在《自然》杂志上发表的论文中，我们发现了双轴范德华斯半导体，如α-MoO3.和V2O5A/ qialiang Bao教授说，“这些天然的双曲材料为控制纳米级能量流动提供了前所未有的平台。”
石墨烯中旋电子学和魔角的发展
新加坡国立大学教授(FLEET合作伙伴研究员)首次预测了“错位”石墨烯片的新型电子特性安东尼奥·卡斯特罗·内托在2007年，弗利特·派提出了1.1度的“魔角”理论艾伦·麦克唐纳(德克萨斯大学奥斯汀分校)2011年。
巴勃罗·贾里洛-埃雷罗(MIT)于2018年实验证明了扭曲石墨烯的超导性。
这项研究
欧庆东博士与莫纳什大学材料科学与工程系的鲍启良教授合作进行了实验研究。青东继续与莫纳什物理与天文学院的Michael Fuhrer教授进行凝聚态研究。
拓扑极化激元与扭曲光子魔角αmoo3.双向层于2020年6月发表在《自然》杂志上(DOI 10.1038/s41586-020-2359-9)。
以及来自澳大利亚研究理事会，亦由美国空军科学研究办公室，Vannevar Bush奖学金美国海军研究办公室和国家科学基金会，以及新加坡的科学技术和研究局(A*STAR)和中国国家自然科学基金．
二维材料的分层和扭曲是在莫纳什大学(材料科学与工程系)进行的，而拓扑极化元是在实验室观察和表征的墨尔本纳米制造中心(MCN)的维多利亚节点澳大利亚国家制造工厂(ANFF)。
FLEET的光子学
实验物理学家Qingdong Ou博士是莫纳什大学Michael Fuhrer教授的研究员，在FLEET的使能技术B范围内，研究基于二维材料的纳米器件制造。
青东致力于将光-物质相互作用中的能量损失降至最低，旨在实现基于二维材料的光子和光电子器件的超低能耗。他还在FLEET的研究主题2中使用近场光学纳米成像研究二维材料中的高受限低损耗极化激元。
FLEET是澳大利亚研究理事会卓越中心，开发新一代超低能耗电子产品。
更多的信息
- 联系Andrea教授Alù(城市大学ASRC)aalu@gc.cuny.edu
- 联系A邱成伟教授(新加坡国立大学)chengwei.qiu@nus.edu.sg
- 联系A/鲍巧亮教授(原莫纳什大学)qiaoliang.bao@gmail.com
- 联系舰队media@fleet.org.au
- 遵循@FLEETCentre
