新型光晶体管器件研究新进展

[本刊讯] 经过十多年的不懈努力，国家纳米科学中心戴庆研究员团队在实现极化激元高效激发和长程传输的基础上，成功创制“光晶体管”，实现纳米尺度光正负折射调控，显著提升了纳米尺度光操控能力。相关研究成果以“电栅极可调的中红外极化激元负折射”为题，于2023年2月10日发表在《科学》（Science）周刊上。

与电子相比，光子具有速度快、能耗低、容量高等优势，在大幅提升信息处理能力方面具有很大潜力。因此，光电融合系统被认为是构建下一代高效率、高集成度、低能耗信息器件的重要方向。但由于光子不携带电荷且光的传输受限于光学衍射极限，与能轻易调控的电子相比，对光子的纳米尺度调控并不容易。如何在纳米尺度对光进行精准操控是其中最关键的科学问题。

光电互联技术相当于光电两条高速公路交汇的收费站，而现有硅基光电集成方案存在转化效率低、光模块体积难以缩小等瓶颈问题，严重制约芯片内部的信息流转。该团队率先提出利用纳米材料的表面波（极化激元）作为媒介实现高效光电互联的新思路，相当于将原来的收费站改造成立交桥，从而大幅增加传输通道和提升信息处理的速度。电—极化激元—光转换路径的显著优势有：①效率高，光/电激发材料表面波的效率相比光电效应提升潜力巨大；②集成度高，光波转化成材料表面波可将波长压缩百倍，轻松突破衍射极限，从而显著提升光模块集成度；③算力强，材料表面波具有光子性质可进行高效并行计算，从而将现有光电融合的“光传输、电计算”拓展成为“光传输、电计算+光计算”，达到“1+1>2”的效果。

极化激元是一种由入射光与材料表界面相互作用形成的特殊电磁模式，具有优异的光场压缩能力，可轻易突破光学衍射极限，不仅可实现高效光电互联，还可提供额外的信息处理能力，提升光电融合系统的性能。团队成功获取了低对称极化激元的影像，证实了近场“轴色散”效应，揭示了一种新的纳米尺度上实现光子操控的可行路径。同时，通过大幅提高纳米尺度的光子精确操控水平，成功将10微米波长的红外光压缩成几十纳米波长的极化激元，并调控性能，实现平面内的能量聚焦和定向传播。

在前期研究的基础上，团队设计并构筑了微纳尺度的石墨烯/氧化钼范德华异质结，实现了用一种极化激元调控另一种极化激元开关的“光晶体管”功能。充分发挥了不同材料的納米光子学特性，突破了传统结构光学方案在波段、损耗、压缩和调控等多个方面的性能瓶颈。

该研究利用材料表面波可在纳米尺度实现高效光电调制功能，为构筑高集成度光电融合芯片提供了新路径，为聚焦极化激元逻辑器件的研制，实现芯片内“光传输、电计算+光计算”这一世界难题提供了解决方案。

（晓 工）