新发现！纳米光可沿二维材料（氧化钼）长时间定向传播

定向纳米光沿三氧化钼薄层传播的例证 图片来源：李少娟

一个国际研究小组报告说，在纳米尺度下的光会仅沿着三氧化钼薄板（一种天然的各向异性2D材料）在特定方向上传播。除了其独特的方向特性外，这种纳米光还可以长时间传播，因此可以应用于纳米级的信号处理、传感器和热处理器。

未来的信息和通信技术将不仅依赖于电子而且还依赖于纳米级光的操纵。多年来，将光限制在如此小的区域一直是纳米光子学的主要目标。一种常用的策略是使光变为极化子，它是由光和物质耦合产生的电磁波。利用诸如石墨烯和六方氮化硼等2D材料中的红外频率的极化子可以实现特别强的光压缩。研究人员已经实现了非凡的极化特性，例如用这些材料对石墨烯极化子进行电调谐，但是人们发现极化子沿着材料表面的所有方向传播，从而迅速损失能量，这限制了它们的应用潜力。

最近，研究人员预测，极化子可以沿着二维材料的表面各向异性地传播，其中电子和结构特性传播方向不同。在这种情况下，极化子的速度和波长很大程度上取决于它们传播的方向。这种性质可导致纳米级二维材料以高度定向的极化子传播，这可以在传感、热管理和量子计算领域找到未来的应用。

现在，由Qiaoliang Bao（澳大利亚墨尔本蒙纳士工程公司），Pablo Alonso-González（西班牙奥维耶多大学）和Rainer Hillenbrand（CIC nanoGUNE，西班牙圣塞巴斯蒂安）领导的国际团队发现了超受限制的红外极化子，仅沿着天然2D材料三氧化钼（α-MoO3）薄板的特定方向传播。

“我们发现α-MoO3是红外纳米光子学的独特平台，”Qiaoliang Bao说。

“在我们的α-MoO3薄片上发现只有沿某个方向行进的极化子才是惊人的，”研究生和共同作者马伟良说。

“到目前为止，极化子的定向传播仅在人工结构材料中进行了实验观察，其中最终的极化子限制比天然材料更难以实现，”共同第一作者Shaojuan Li补充说。

除定向传播外，该研究还表明，α-MoO3上的极化子可以具有非常长的寿命。 “光在纳米级α-MoO3上传播像是行走在高速公路上；它沿着某些方向行进，几乎没有障碍物，”该论文的共同第一作者Pablo Alonso-González说。 他补充说：“我们的测量表明，α-MoO3上的极化子寿命可以达到20皮秒，这是室温下高质量石墨烯中最佳极化子寿命的40倍。”

由于极化子的波长远小于光的波长，因此研究人员必须使用特殊的显微镜（即所谓的近场光学显微镜）对其进行成像。“这种技术的建立完全符合新型范德瓦尔斯材料的出现，在过去几年中能够成像各种独特甚至意想不到的极化物，”Rainer Hillenbrand补充道。

为了更好地理解实验结果，研究人员开发了一种理论，使他们能够提取α-MoO3中极化子的动量与其能量之间的关系。“我们已经意识到，在α-MoO3中被挤压的光会变成'双曲线'，这使得能量和波阵面沿着表面在不同的方向上传播，这会在光学中产生有趣的奇异效应，如负折射或超透镜，”阿列克谢说。 Nikitinof Donostia国际物理中心（DIPC）与Javier Taboada-Gutiérrez和JavierMartín-Sánchez以及Alonso-Gonzalez集团的博士后研究人员合作开发了该理论。

目前的工作只是一系列研究的开始，这些研究主要集中在纳米级超低损耗极化子的方向控制和光控制，这有利于开发更有效的光学传感和信号处理的纳米光子器件等。

原文题目：Researchers discover directional and long-lived nanolight in a 2D material，原文来自：phys，由材料科技在线团队编译