近日，我校物理與光電工程學(xué)院黃加耀博士指導(dǎo)的2022級(jí)光源與照明專(zhuān)業(yè)本科學(xué)生黃培源同學(xué)，以第一作者身份、佛山大學(xué)為第一單位，在國(guó)際物理領(lǐng)域權(quán)威期刊《Physics Letters A》（JCR Q2）發(fā)表題為 “Tunable Hybrid Polaritons in the LiV2O5–Graphene Heterostructures” 的研究性論文。該研究首次構(gòu)建了基于LiV2O5與石墨烯納米光柵的異質(zhì)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了表面等離激元（SPP）、橫向（TO）與縱向（LO）聲子模式之間的強(qiáng)耦合相互作用，并觀察到雙Rabi劈裂特征現(xiàn)象的存在。拉比劈裂是指在量子輻射體（如單個(gè)原子、分子或量子點(diǎn)）與光場(chǎng)（如單光子）之間存在強(qiáng)相互作用時(shí)，量子輻射體的能級(jí)發(fā)生分裂的現(xiàn)象。從外在表征上看，它會(huì)在光致發(fā)光譜、熒光光譜、散射譜和吸收譜中呈現(xiàn)出光譜劈裂。通過(guò)引入三振子模型，嚴(yán)格耦合波分析法（RCWA）與時(shí)域有限差分法（FDTD）等數(shù)值模擬方法，團(tuán)隊(duì)成員系統(tǒng)研究了等離激元-聲子模式之間的能量交換、耦合強(qiáng)度及模態(tài)演化機(jī)制。研究表明，該結(jié)構(gòu)在8–12 μm中紅外窗口內(nèi)表現(xiàn)出優(yōu)異的調(diào)控性能。通過(guò)調(diào)節(jié)石墨烯的光柵寬度和化學(xué)勢(shì)，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)共振波長(zhǎng)的精準(zhǔn)調(diào)諧，還能顯著增強(qiáng)光吸收峰值，這有望在太陽(yáng)能熱電轉(zhuǎn)換、自適應(yīng)紅外熱管理、紅外成像與分子傳感等光熱器件中發(fā)揮重要作用。本項(xiàng)研究成果體現(xiàn)了我校在新型光子器件領(lǐng)域的前瞻布局和本科生科研創(chuàng)新能力培養(yǎng)的不斷提升，同時(shí)也為可調(diào)諧中紅外光譜調(diào)控器件的設(shè)計(jì)與應(yīng)用提供了理論支持和技術(shù)路徑。
科研內(nèi)容簡(jiǎn)介
隨著中紅外與太赫茲光子器件的發(fā)展，如何在納尺度精確調(diào)控極化激元成為當(dāng)前光學(xué)與材料領(lǐng)域的重要挑戰(zhàn)。LiV2O5作為一種天然層狀各向異性晶體，兼具高介電常數(shù)與強(qiáng)聲子響應(yīng)，近年被證實(shí)支持低損耗、高方向性的聲子極化激元傳播，具備優(yōu)異的強(qiáng)耦合基礎(chǔ)。在本研究中，作者首次在LiV2O5–石墨烯異質(zhì)結(jié)構(gòu)中構(gòu)建了SPP–TO–LO三種模式強(qiáng)耦合體系。圖1展示了石墨烯/LiV2O5異質(zhì)結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)自上而下依次由石墨烯納米光柵陣列、BaF?間隔層、LiV?O?功能層、BaF?襯底層、Ag反射層及SiO?基底構(gòu)成。通過(guò)調(diào)控石墨烯光柵寬度或者外加?xùn)艍簩?shí)現(xiàn)SPP–TO–LO強(qiáng)耦合過(guò)程的動(dòng)態(tài)調(diào)控。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)兼具電調(diào)諧性與紅外增強(qiáng)響應(yīng)能力，為發(fā)展可調(diào)諧紅外發(fā)射器、熱調(diào)控器件及多模光子耦合平臺(tái)提供了新思路。
圖1：石墨烯/LiV2O5異質(zhì)結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2展示了基于LiV?O?–石墨烯異質(zhì)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)中紅外三模強(qiáng)耦合的物理機(jī)制與調(diào)控特性。圖(a)示意了系統(tǒng)中等離激元（SPP）與LiV2O5中TO/LO聲子模之間的相互作用，形成三個(gè)混合極化激元態(tài)（UPB、MPB、LPB）。圖(b)與圖(c)分別展示了通過(guò)調(diào)節(jié)石墨烯光柵寬度和化學(xué)勢(shì)實(shí)現(xiàn)對(duì)SPP模態(tài)的動(dòng)態(tài)調(diào)控。圖(d)–(e)進(jìn)一步揭示了混合模隨結(jié)構(gòu)參數(shù)演化所產(chǎn)生的Rabi劈裂現(xiàn)象。圖(f)定量給出三支模態(tài)的Hopfield混合系數(shù)，證實(shí)了等離激元–聲子–聲子之間形成真實(shí)的三模強(qiáng)耦合態(tài)。該結(jié)構(gòu)兼具低損耗、高方向性及良好的電調(diào)諧能力，為發(fā)展可調(diào)紅外熱調(diào)控器件與多模光子耦合平臺(tái)提供了新方案。
圖2：石墨烯/LiV2O5異質(zhì)結(jié)構(gòu)中等離激元–聲子模式的強(qiáng)耦合過(guò)程與調(diào)控特性。
該研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目、廣東省教育廳創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目與廣東省基礎(chǔ)與應(yīng)用基礎(chǔ)研究基金項(xiàng)目以及廣東省粵港澳聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室的支持。特別感謝香港科技大學(xué)陳欽杪博士后，華南師范大學(xué)鄧富博士和加利福尼亞大學(xué)洛杉磯分校羅陽(yáng)博士對(duì)本工作提供的幫助。
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doi.org/10.1016/j.physleta.2025.130609
黃加耀，博士，碩士生導(dǎo)師。博士畢業(yè)于北京大學(xué)微電子學(xué)與固體電子學(xué)專(zhuān)業(yè)，并完成北京大學(xué)博士后研究工作。主持國(guó)家自然科學(xué)基金–青年科學(xué)基金項(xiàng)目1項(xiàng)，主要研究方向?yàn)榧晒鈱W(xué)和微納光子學(xué)。旨在探索納米尺度下光與物質(zhì)的相互作用規(guī)律，為設(shè)計(jì)和制備新型微納光電子器件、高效光熱集成功能器件、全光芯片等前沿應(yīng)用提供理論和技術(shù)基礎(chǔ)。相關(guān)研究成果已發(fā)表在包括Carbon、IEEE J. Sel. Top. QuantumElectron、J. Light. Technol.等高水平SCI期刊和CLEO、OECC、ACP等高水平國(guó)際會(huì)議上，共計(jì)近20余篇論文。其中作為第一作者發(fā)表了7篇SCI論文，包括JCR一區(qū)SCI論文4篇，其中1篇發(fā)表在國(guó)際著名光學(xué)期刊Carbon（IF：10.9，JCItop10%）。在碩博連讀期間，曾榮獲：北京市優(yōu)秀畢業(yè)生，北京大學(xué)優(yōu)秀畢業(yè)生，博士國(guó)家獎(jiǎng)學(xué)金，碩士國(guó)家獎(jiǎng)學(xué)金，五四獎(jiǎng)學(xué)金，三好學(xué)生標(biāo)兵，三好學(xué)生干部和三好學(xué)生等榮譽(yù)稱(chēng)號(hào)。
趙東旭，博士、二級(jí)教授、博士生導(dǎo)師，吉林省杰出青年基金獲得者、長(zhǎng)白山領(lǐng)軍人才、吉林省拔尖創(chuàng)新人才。曾任中國(guó)科學(xué)院二級(jí)研究員、特聘研究員，發(fā)光學(xué)及應(yīng)用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室常務(wù)副主任，中國(guó)物理學(xué)會(huì)發(fā)光分會(huì)秘書(shū)長(zhǎng)等。多年來(lái)一直致力于高靈敏、高效率微納光電探測(cè)器研究。主持過(guò)國(guó)家重大裝備預(yù)研(3500 萬(wàn)元)、KIW創(chuàng)新特區(qū)重點(diǎn)項(xiàng)目(2390萬(wàn)元)、科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目、科技部國(guó)際合作項(xiàng)目、“973”子課題等十余項(xiàng)科研攻關(guān)課題。獲得中國(guó)光學(xué)科技獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)1項(xiàng)、中國(guó)科學(xué)院杰出科技成就獎(jiǎng)1項(xiàng)、吉林省科技進(jìn)步一等獎(jiǎng) 3 項(xiàng)、吉林省自然科學(xué)二等獎(jiǎng)1項(xiàng)，發(fā)表 SCI檢索論文 150 余篇，SCI他人正面引用 10000余次,完成銅互連紅外探測(cè)器成果轉(zhuǎn)化一項(xiàng)(轉(zhuǎn)化915萬(wàn)元股權(quán))。
都說(shuō)科研這條路就像大浪淘沙，一轉(zhuǎn)眼就淘了三年，在這期間，我曾無(wú)數(shù)次想過(guò)放棄，但在一次又一次的挫折中，還是堅(jiān)持了下來(lái)。在項(xiàng)目初期，我常常被復(fù)雜的理論和建模過(guò)程“卡殼”，特別是耦合哈密頓矩陣的推導(dǎo)和RCWA仿真的調(diào)參，一度讓我對(duì)科研產(chǎn)生動(dòng)搖。幸運(yùn)的是，我有黃加耀老師的全程指導(dǎo)，也有239伙伴們的互幫互助。每一次模型收斂，每一張色散圖出圖，都是信心的積累。如果說(shuō)這次發(fā)表是一場(chǎng)戰(zhàn)役的勝利，那么我更珍視的是“準(zhǔn)備這場(chǎng)戰(zhàn)役”的過(guò)程。它讓我明白，科研不只是實(shí)驗(yàn)與重復(fù)，更是一場(chǎng)不斷挑戰(zhàn)自己認(rèn)知邊界的旅程。回望過(guò)去時(shí)路，我要感謝秀婷老師和肖鵬老師帶我走上了科研這條路，讓我在磨練中不斷提升能力。除此之外，更要感謝耀哥的支持，讓我義無(wú)反顧繼續(xù)走下去，每次遇到問(wèn)題，加耀老師總會(huì)第一時(shí)間與我一同討論，這場(chǎng)亦師亦友的科研之旅讓我學(xué)到的不只是知識(shí)，更多是對(duì)心性和品格的完善。愿止于至善，對(duì)事物永遠(yuǎn)保持好奇心，永遠(yuǎn)謙遜。
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