科学家将“扭旋电子学”应用于光传播并取得突破性发现

扭旋电子学，英语：Twistronics，来自英文twist（扭旋）和electronic（电子学）两词，是对二维材料层之间的扭旋角度如何改变其电性能的研究。诸如双层石墨烯之类的材料已显示出从非导电性到超导电性的极大不同的电子行为，这取决于层之间的角度。该术语由哈佛大学的Efthimios Kaxiras研究小组在对石墨烯超晶格的理论处理中首次引入。

2018年，年轻的物理学家曹原发表在《自然》的两篇论文中指出，当两层石墨烯以一个1.1度的“魔角”扭曲在一起时，扭曲的二维双层材料显示出许多奇特的电子现象。操纵两层之间的“扭转角”可以精确控制电子能带结构，从而产生魔角平带超导性，形成莫尔激子和层间磁性。曹原的研究进一步促进了扭旋电子学的形成与发展。

但是，对于扭旋电子学应用于光子领域尚还很少。由新加坡国立大学、纽约大学高级科学研究中心、德克萨斯大学和莫纳什大学的研究人员组成的研究团队，最近基于“扭旋电子学”原理，应用于光传播并取得突破性发现。展示了如何将相似原理与极端各向异性相结合，实现对范德华双层中声子极化子的光子色散的控制和操纵。这项研究成果发表在今天的《自然》杂志上，有望在包括纳米成像设备在内的各种光驱技术，包括高速低能耗的光学计算机和生物传感器等，取得跨越式发展。

研究小组从曹原所发现的超导电性中汲取了灵感，该超导电性是在一对堆叠的石墨烯层中旋转的，该层旋转至1.1度的“魔术扭角”。在这种配置中，电子没有阻力地流动。该发现表明，仔细控制旋转对称性可以揭示意料之外的材料响应。

该研究小组发现，可以将一种相似的原理以极不寻常的方式应用于操纵光。在两个超薄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，并能够在所需波长的紧密聚焦光束中实现稳健的光传播。

该研究实验观察到，当两层之间的旋转处于光子魔术扭曲角时，会在双层α相三氧化钼（α-MoO3）中从开放（双曲线）到闭合（椭圆）色散轮廓发生可调的拓扑过渡。这些转变是由极化子杂交诱导的，并受拓扑量控制。在过渡处，双层分散体变平，表现出低损耗的可调谐极化子渠化和无衍射传播。

通常，从放置在平坦表面上的小发射器发出的光会像如圆石掉入池塘中所激发的波一样，以圆形扩展。在他们的实验中，研究人员堆叠了两片三氧化钼，并使其中一层相对于另一层旋转。当这些材料被一个微小的光发射器激发时，随着旋转角度的变化，他们观察到了整个表面上可广泛控制的光发射。特别是，他们表明，在光子魔术扭曲角下，配置的双层支持在宽波长范围内紧密聚焦的通道光束中的稳健、无衍射光传播。如图所示应用“魔角”旋流器控制光流的扭曲双层（tBL）α-MoO3。

纽约大学物理学教授、安德里亚·阿鲁（Andrea Alù）说，“虽然光子——光的量子，具有与电子不同的物理特性，但我们对新发现的扭旋电子学感到好奇，并一直在怀疑扭曲的二维材料是否也可以为光带来不寻常的传输特性，从而使光子受益”。“为揭示这一现象，我们使用了三氧化钼薄层。通过将两层这样的层相互堆叠并控制它们的相对旋转，我们观察到了对光导特性的戏剧性控制。在光子魔术角下，光确实不是衍射，它沿直线非常狭窄地传播。这是纳米科学和光子技术的理想特征。”

该研究论文的第一作者、新加坡国立大学研究人员生、阿鲁实验室访问学者、胡光伟（Guangwei Hu）说：“我们的发现是基于相当特定的材料和波长范围，但是通过先进的纳米加工，我们可以对许多其他材料平台进行图案化，以在很宽的光波长范围内复制这些不寻常的光学特征。”

胡光伟的指导教授、论文作者、邱成伟（Cheng-Wei Qiu）表示，“我们的研究表明，用于光子的扭旋电子学能为基于光的技术带来真正令人兴奋的机会，我们很高兴将继续探索这些机会。”

该研究将扭旋电子学和莫尔条纹物理扩展到纳米光子学和极化电子学，并在纳米成像、纳米级光传播、能量转移和量子物理学中具有潜在应用前景。(来源新浪）

参考：“Topological polaritons and photonic magic angles in twisted α-MoO3 bilayers”. Nature. Published: 11 June 2020