OE1022锁相放大器在二维扭曲异质结构中的工程剪切极化子实验的应用
2025-08-18 来源:本站 点击次数:100
【概述】
2025年，同济大学程鑫彬教授和江涛教授团队在nature communications发表了一篇题为”Engineering shear polaritons in 2D twisted heterostructures”的文章，探究了一种新型的HShPs(hyperbolic shear polaritons,双曲剪切极化子)的动态实时重构手段，通过扭转双层α-MoO₃（一种二维材料）结构，人工引入剪切效应，实现HShPs的可控激发与调控。
【实验材料准备】
文章通过机械剥离法制备α-MoO₃薄层，精确控制上下层厚度（d1,d2）和扭转角度（θ）；制备双层α-MoO₃/石墨烯异质结器件，通过背栅电压调控石墨烯的费米能级（E_F）；如图1(a)所示，使用红外近场光学显微镜在931cm^-1光波频率下激发HShPs，观测其非对称传播和场分布，利用傅里叶变换分析提取动量空间中的等频线(IFCs)、量化剪切因子(Shear factor)和品质因子(Q)，通过改变栅压（V_g）调节石墨烯的费米能级，动态改变HShPs的传播方向和拓扑特性。
其中，动态调控石墨烯的过程面临不小的挑战，石墨烯电阻变化信号幅度极小，极易被环境噪声淹没，需要高灵敏度、高信噪比的测量工具精确关联Ef与HShPs的动态变化。此时，赛恩科仪OE1022锁相放大器作为实验中的核心检测设备，负责实时记录石墨烯电阻的微小变化，为动态调控HShPs提供关键测量数据支持。
图1.(a)红外散射型扫描近场光学显微镜测量扭曲双层α-MoO₃ 中的工程HShPs 示意图
(b)θ值的增加会使 HShPs 的等频等值线（IFCs）从双曲线（黄色）转变为管状（蓝色）
(c)在固定θ = 60°和d2 = 170 nm的情况下，顶层厚度可用于控制IFC的形状
(d、e)透射矩阵法得到的反射系数（Im(rpp)）和有限差分时域（FDTD）模拟得到的实空间场分布（Re(EZ)）
图2.(a)扭曲双层α-MoO₃/石墨烯异质结构示意图；Ein 和 Eout分别表示入射和散射电场；
VDS：漏极-源极电压；VBG：背栅电压（调控石墨烯电阻）
（b）不同费米能级EF下HShPs的计算显示，栅极调整可用于改变HShPs的拓扑结构和方向，
双曲（黄色）过渡到椭圆（蓝色）
(r)EF越负，剪切因子越大，这表明栅极调谐诱导HShPs 的不对称性增强
(c)-(q)不同EF下的HShPs实验近场图像，以及其傅里叶光谱
2025年，同济大学程鑫彬教授和江涛教授团队在nature communications发表了一篇题为”Engineering shear polaritons in 2D twisted heterostructures”的文章，探究了一种新型的HShPs(hyperbolic shear polaritons,双曲剪切极化子)的动态实时重构手段，通过扭转双层α-MoO₃（一种二维材料）结构，人工引入剪切效应，实现HShPs的可控激发与调控。
【实验材料准备】
文章通过机械剥离法制备α-MoO₃薄层，精确控制上下层厚度（d1,d2）和扭转角度（θ）；制备双层α-MoO₃/石墨烯异质结器件，通过背栅电压调控石墨烯的费米能级（E_F）；如图1(a)所示，使用红外近场光学显微镜在931cm^-1光波频率下激发HShPs，观测其非对称传播和场分布，利用傅里叶变换分析提取动量空间中的等频线(IFCs)、量化剪切因子(Shear factor)和品质因子(Q)，通过改变栅压（V_g）调节石墨烯的费米能级，动态改变HShPs的传播方向和拓扑特性。
其中，动态调控石墨烯的过程面临不小的挑战，石墨烯电阻变化信号幅度极小，极易被环境噪声淹没，需要高灵敏度、高信噪比的测量工具精确关联Ef与HShPs的动态变化。此时，赛恩科仪OE1022锁相放大器作为实验中的核心检测设备，负责实时记录石墨烯电阻的微小变化，为动态调控HShPs提供关键测量数据支持。
图1.(a)红外散射型扫描近场光学显微镜测量扭曲双层α-MoO₃ 中的工程HShPs 示意图
(b)θ值的增加会使 HShPs 的等频等值线（IFCs）从双曲线（黄色）转变为管状（蓝色）
(c)在固定θ = 60°和d2 = 170 nm的情况下，顶层厚度可用于控制IFC的形状
(d、e)透射矩阵法得到的反射系数（Im(rpp)）和有限差分时域（FDTD）模拟得到的实空间场分布（Re(EZ)）
【测量系统搭建】
具体实验测量系统如图2(a)所示，其中由Keithley 2450源表施加背栅电压VBG，用于调制石墨烯载流子浓度进而改变石墨烯电阻与费米能级（E_F对载流子浓度变化极为敏感），从而动态改变HShPs传播方向，并诱导拓扑转变（如图2(b)所示，双曲→椭圆色散）；由赛恩科仪OE1022锁相放大器实时、精确监测石墨烯电阻R，记录R-VBG曲线，结合霍尔效应模型计算EF。最终关联OE1022输出数据与s-SNOM近成像结果，建立EF-HShPs动态调控模型。
图2.(a)扭曲双层α-MoO₃/石墨烯异质结构示意图；Ein 和 Eout分别表示入射和散射电场；
VDS：漏极-源极电压；VBG：背栅电压（调控石墨烯电阻）
（b）不同费米能级EF下HShPs的计算显示，栅极调整可用于改变HShPs的拓扑结构和方向，
双曲（黄色）过渡到椭圆（蓝色）
(r)EF越负，剪切因子越大，这表明栅极调谐诱导HShPs 的不对称性增强
(c)-(q)不同EF下的HShPs实验近场图像，以及其傅里叶光谱
【总结】
通过二维材料扭转和异质结集成，本实验首次在非单斜晶系材料中实现HShPs的可控激发与动态重构，突破了传统体材料的局限性。该平台实现了HShPs的多维调控（静态+动态），为片上极化激元器件（如光学开关、调制器）和亚衍射成像提供了新思路。
【参考文献】
✽Engineering shear polaritons in 2D twisted heterostructures. | Nature Communications
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