光子在纳米尺度上的局域和操控是当前纳米光子学和片上光子学领域的研究重点。极化激元作为光子与粒子或准粒子耦合形成的元激发，展现出优异的光场限域能力，为实现纳米尺度光子操控提供了巨大的潜力。相比于传统体材料，二维材料的极化激元具有传播损耗低、空间局域因子高和易于集成等优势。近年来，在天然范德华材料α相三氧化钼(α-MoO₃)中发现了具有低传播损耗、沿面内特定方向传播的双曲型声子极化激元。在此基础上，通过堆叠具有一定旋转角度的两层α-MoO₃或将α-MoO₃与石墨烯进行耦合，可以实现α-MoO₃声子极化激元的拓扑转变和主动调控。然而，电学调控α-MoO₃声子极化激元的机制仍然缺乏系统性研究。

鉴于此，同济大学物理科学与工程学院王占山教授和程鑫彬教授团队的江涛教授，联合美国纽约城市大学Andrea Alù教授、美国科罗拉多大学博尔德分校Markus B. Raschke教授和河南大学陈珂教授，将转角α-MoO₃与石墨烯堆叠并制备成电学器件，通过精确控制石墨烯的费米能级，成功实现了对转角α-MoO₃声子极化激元的原位、主动电学调控。基于在同济大学搭建的散射型扫描近场光学显微系统(s-SNOM)，对α-MoO₃声子极化激元随石墨烯费米能级变化的传播行为进行了系统性研究，并发展了相应的理论模型，揭示了转角α-MoO₃声子极化激元的电学调控物理机制。该研究成果以“Gate-Tuning Hybrid Polaritons in Twisted α-MoO₃/Graphene Heterostructures”为题发表在《纳米快报》（Nano Letters）上。

图1 转角α-MoO₃/石墨烯异质结电学调控示意图

论文首先研究了转角α-MoO₃声子极化激元与石墨烯表面等离极化激元的耦合，在石墨烯不同费米能级下，二者耦合产生的杂化极化激元展现出了不同的传播行为。利用s-SNOM 近场光学显微系统，可以在~20 nm的空间分辨率下对极化激元进行实空间成像。通过将红外激光聚焦在具有金属镀层的s-SNOM针尖处，针尖激发的极化激元传播到α-MoO₃边界处，被边界反射后与针尖下方的极化激元干涉形成干涉条纹，通过提取干涉条纹的波长、振幅和耗散，可以厘清极化激元的传播行为、分析极化激元的电学调控机制。实验结果显示，无论是在单层还是转角双层α-MoO₃/石墨烯器件中，极化激元波长、振幅和耗散的数值都受到了石墨烯费米能级的显著调制。

图2 单层α-MoO₃和转角双层α-MoO₃/石墨烯器件中极化激元的电学调控行为

该研究通过结合转角和电学两个操控维度，实现了转角α-MoO₃石墨烯体系中极化激元的电学主动调控，并阐释了相关的电学调控物理机制，为实现极化激元在纳米光电子学中的各种应用提供了重要基础。

同济大学是论文第一单位，同济大学江涛教授、河南大学陈珂教授、美国科罗拉多大学博尔德分校Markus B. Raschke教授和美国纽约城市大学Andrea Alù教授为论文共同通讯作者，同济大学博士研究生周州、宋仁康和光电专业本科生徐俊波为论文共同第一作者。对论文作出重要贡献的合作者还包括同济大学王占山教授、程鑫彬教授和黄迪教授。

论文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.3c03769