原子級可調透鏡示意圖。
自20世紀70年代以來，衍射光學元件研究已經取得了長足發展。研究人員發現了越來越多的複雜光學原理，並以輕薄光學元件取代了笨重的光學元件。最近，研究人員已經開始嘗試應用包含密集金屬或半導體納米結構陣列的納米超表面。
超表面可以有效控制基於等離子體或三重諧振腔的局部光散射相位和振幅。科學家們在研究了這兩種類型的諧振後，已經能提供多功能性和跨光場的控制。雖然這種超表面函數一直保持靜態，但對於新興的光子應用而言，動態控制是不可或缺的。
電化學電池的結構佈局。
電漿子和三重共振只能提供微弱的電可調性，而數十年的光學調製研究表明，激子操縱可以更好地控制材料的光學性質。
然而，研究人員認為，還需要用原子級光學元件證實激子在波陣面處理中起到的關鍵作用。《自然·光電子》雜誌報道，研究人員Jorik van de Groep等設計了一種可主動控制的原子級光學元件。他們直接利用單層二硫化鎢蝕刻出了基板，然後通過改變材料的共振性能，以及二維材料排列方式的優化，實現了特定的光學功能——共振和可調諧的光-物質相互作用。
研究人員將二硫化鎢環視作由入射平面波驅動的散射場源，並發現局部散射場與二硫化鎢的極化成正比。因此，研究人員認為激子共振附近的散射可能是最強的。
材料的磁化率和聚焦效率。
新型透鏡可以從周圍環境中獲取重要信息。聚焦效率的譜依賴性與二硫化鎢單分子層的磁化率有關。雖然研究人員無法分離出散射場，但他們收集了大範圍內的弱散射光，並確定了實驗樣板的高聚焦強度。
研究人員先利用電門控技術改變二硫化鎢的激子共振來控制透鏡的聚焦效率，發現激子抑制是完全可逆和高可複製的。隨後，研究人員利用激子共振的強可調性控制了透鏡焦點的強度。他們發現，在二硫化鎢/石墨烯異質結構上施加3V柵偏置，可以完全抑制非對稱激子線。而利用激子共振的可逆轉換，又能夠恢復中性共振態。
由於商用二硫化鎢的質量相對較差，研究人員測得的聚焦效率相對較低且受到限制。為此，研究人員決定通過提高二硫化鎢的大面積生長來顯著提高聚焦效率。研究人員還實現了激子主導態和激子失穩態的重複切換，以及對激子光散射幅值的主動控制。
Jorik van de Groep等證實了激子材料共振對原子級光學透鏡操控的重要性。這項成果有望為動態平面光學和超表面應用的設計注入新的活力。
原創編譯：雷鑫宇 審稿：阿淼 責編：唐林芳
期刊來源：《自然·光子學》
期刊編號：1749-4885
原文鏈接：https://phys.org/news/2020-05-exciton-resonance-tuning-atomically-thin.html
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