工作简介

未来高性能的信息器件既要满足高速运行功能又要满足超大规模的集成度要求。与电子相比，光子具有速度快、能耗低、容量高等优势，被寄予未来大幅提升信息处理能力的厚望。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。光电互联（电-光-电转换）是光电融合的基础，光电互联技术相当于光电两条高速公路交汇的红绿灯路口。而现有硅基光电集成方案存在效率低（依赖多次光电效应）、体积大（光模块无法突破衍射极限）等问题，制约光电器件之间的信息流转。然而，光子不携带电荷且光的传输受限于光学衍射极限，相比于能轻易通过电学调控的电子，对光子的纳米尺度局域和操控并不容易。

我国固体物理学家黄昆院士在1951年通过著名的「黄方程」预言了光子与物质作用形成的准粒子—极化激元。经过多年的研究与不断深入的发现，极化激元已被证实可以轻易突破光学衍射极限，将光波长压缩到纳米尺度。

国家纳米科学中心戴庆研究团队提出利用极化激元作为光电互联媒介的新思路，充分发挥其对光高压缩和易调控的优势。构筑光-极化激元-电转换路径相当于将红绿灯路口改造成立交桥，具有显著优势：一是效率高，光/电激发材料表面波的效率相比光电效应提升潜力巨大；二是集成度高，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；三是算力强，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」，实现「1+1>2」的效果。

图1 极化激元晶体管的基本原理示意图：通过在氧化钼上覆盖石墨烯构筑范德华异质结，金属天线激发声子极化激元传输到异质结的边界，利用栅极电压调控边界右侧的等离激元，使得两种极化激元发生不同程度的耦合实现调控纳米尺度光传输与开关功能。

研究团队与合作者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。该晶体管可实现光正负折射的动态调控，类似电子晶体管能切换（1,0）两个高低电位，为构筑与非门等光逻辑单元提供重要基础。利用范德华层状材料的极化激元晶体管尺寸仅为0.01 mm²，面积是现有光调制器的百分之一。该研究表明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。2月10日，相关研究成果以Gate-tunable negative refraction of mid-infrared polaritons为题，在线发表在Science期刊。此工作发表后被Science期刊选为重点文章，在期刊主页进行重点展示，并且配发评论文章予以高亮报道，认为该工作展示了新型电压可控纳米尺度负折射效应，为中红外波段的超分辨成像、纳米尺度热管理和高灵敏的分子探测提供了机遇。央视新闻、人民日报、新华社、科技日报、中国科学报和光明日报等国内新闻媒体也进行了重点宣传和报道，引起社会广泛关注。此外基于此工作提出的「极化激元晶体管」也首次被收录进百度百科词条，成为新的研究方向。

图2 负折射近场表征。（A）实验测量的从正折射到负折射转变的近场光学图像，栅极电压从+150 V到-150 V变化。垂直黑色虚线表示石墨烯边缘定义的界面。（B）与实验相对应的数值模拟。

国家纳米科学中心戴庆团队以攻克信息器件高速光电互联这一世界技术难题为目标，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。围绕上述科学难题，该团队通过十多年的不懈努力，在极化激元领域取得多项研究进展，并获得国内外多项学术荣誉和资助，包括入选美国光学会会士、发展中国家科学院青年通讯会士、英国皇家化学会会士。获国家杰出青年科学基金资助、国家重点研发计划首席科学家、中国青年科技奖、2020/2021年度中国光学十大进展、2019年度中国物理学会最有影响力论文奖、北京市自然科学二等奖、2022年度何梁何利基金科学与技术创新奖等。

论文链接：

https://www.science.org/doi/10.1126/science.adf1251

通讯作者简介

戴庆，国家纳米科学中心研究员，博导，国家杰青（2019），科技部重点研发计划首席科学家。2003-2007年在英国帝国理工大学完成本硕连读课程(MEng)，2011年在英国剑桥大学获得博士学位，随后在剑桥大学光电子研究中心从事研究助理的工作。2012年入选国家青年人才计划项目加入国家纳米科学中心，2019年牵头筹建「中科院纳米光子材料与器件重点实验室（筹）」，任实验室主任。当选美国光学会会士、英国皇家化学会会士、发展中科学院（TWAS）青年通讯会士，并获何梁何利基金科学与技术创新奖、中国青年科技奖和北京市自然科学二等奖等多项荣誉。目前担任Advanced Optical materials、Fundamental Research、Nanoscale、Nanoscale Advances、Nano Today等国内外学术期刊的副主编，编委或顾问编委。

近年来带领团队围绕新型极化激元的物理机理、理论设计、光场调控、工艺制备和测试技术方面展开系统研究。在极化激元的产生、压缩、传输、调制和检测等光学功能设计与光场调控方面取得一系列原创性研究成果，为下一代光电芯片面临的纳米光电融合与集成重大挑战提供科学依据。目前已发表SCI论文150余篇，其中以通讯作者身份发表Science 2篇、Nature 1篇、Nature Materials 2篇、Nature nanotechnology 3篇、Nature Communications 5篇，Advanced Materials 12篇等，申请国家发明专利53项。相继主持国家自然科学基金杰出青年科学基金、国家重点研发计划、国家自然科学基金重大科研仪器研制项目等二十余项国家、省部级项目，同时作为执行主席举办了第Y3次和第691次香山科学会议、ChinaNANO2019 光子学分会等高水平国内外学术会议。

Javier Garcíade Abajo，目前任职西班牙光子科学研究所，担任纳米光子学理论研究小组负责人。其研究领域涵盖光（子）学及其与原子，分子和纳米结构相互作用规律。通过开创性的理论工作预测并解释了多种纳米光电子领域新奇物理现象，包括原子级系统中的集体电子激发（等离激元）；原子层的完全光吸收效应；超快电子束与局域光场的相互作用规律；分子之间的强耦合和局部光学共振效应；超快辐射热交换效应等。

目前已在Nature及其子刊，Science及其子刊，Physical Review Letters，Nano Letters，ACS Nano等杂志上发表SCI论文400余篇，SCI他引4万余次。2019年被欧洲物理学会授予年度科学家称号。曾获美国光学学会会士以及美国物理学会会士等多项学术荣誉。担任Proceedings of the National Academy of Sciences，Optics Express，ACS Photonics和Nanophotonics等国际著名科学期刊编委。

胡海，国家纳米科学中心副研究员，国家优青（2023）。胡海于2018年7月博士毕业，任职国家纳米科学中心副研究员，长期从事纳米光子材料和器件研究，包括石墨烯等低维纳米材料的生长，微纳结构的加工以及光电子器件的制备等。在石墨烯等离激元红外增强以及极化激元光子器件等方面取得系列科研进展。在Science, Nature nanotechnology, Nature Photonics, Nature Communications, Advanced Materials, Physical Review Letter, NANO energy等国际知名杂志发表论文40余篇，申请国家发明专利20项，授权16项。目前作为负责人承担了国家重大研发计划子课题、国家自然科学基金面上项目、青年基金和北京市自然科学基金面上项目等项目，作为骨干成员参与多项国家重大仪器研究项目以及中科院国际合作重点项目等。获2021年度北京市自然科学奖二等奖（排名第三），入选2022年度北京市科技新星和中国科学院青促会会员，曾获本硕博三次国家奖学金，中科院院长奖学金以及多次国际会议优秀报告奖等荣誉。目前正在开展二维材料光子器件的研究或项目等工作。

第一作者简介

陈娜是国家纳米科学中心戴庆组2019级硕博研究生。本科毕业于武汉理工大学，被评为武汉理工大学优秀毕业生。曾获本硕博三次国家奖学金。目前为止在Science、Nature Nanotechnology、Advanced Materials等期刊发表论文5篇。

滕汉超是国家纳米科学中心戴庆组2020级直博生。2020年河北工业大学本科毕业，获得国家奖学金，TCI奖学金。迄今合作发表 SCI 论文5篇,包括Science, Nature Nanotechnology, Advanced Materials等。

关于Chip

Chip（ISSN：2772-2724，CN：31-2189/O4）是全球唯一聚焦芯片类研究的综合性国际期刊，已入选由中国科协、教育部、科技部、中科院等单位联合实施的「中国科技期刊卓越行动计划高起点新刊项目」，为科技部鼓励发表「三类高质量论文」期刊之一。

Chip期刊由上海交通大学出版，联合Elsevier集团全球发行，并与多家国内外知名学术组织展开合作，为学术会议提供高质量交流平台。

Chip秉承创刊理念: All About Chip，聚焦芯片，兼容并包，旨在发表与芯片相关的各科研领域尖端突破性成果，助力未来芯片科技发展。迄今为止，Chip已在其编委会汇集了来自14个国家的69名世界知名专家学者，其中包括多名中外院士及IEEE、ACM、Optica等知名国际学会终身会士（Fellow）。

Chip第三卷第一期已于2024年3月在爱思维尔Chip官网以金色开放获取形式（Gold Open Access）发布，欢迎访问阅读本期最新文章。

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