研究人员找到了一种方法，将不同二维材料的特性耦合起来，从而能够以非凡的精度控制光波。他们表示，这有望催生新型光探测技术、热管理系统和高分辨率成像设备。
这项新发现利用一层沉积在类似二维材料层上的单原子厚石墨烯；另一种材料名为六方氮化硼（hBN）。相关成果发表在期刊 《Nano Letters》上。论文由麻省理工学院机械工程副教授 Nicholas Fang 和研究生 Anshuman Kumar 共同撰写，合作者还包括 IBM T.J. Watson 研究中心、香港理工大学和明尼苏达大学的研究人员。
尽管这两种材料在结构上相似——都由原子组成的六角阵列构成二维薄片——但它们与光的相互作用截然不同。研究人员发现，这些相互作用能够互为补充，并以某些方式耦合，从而极大地控制光的行为。
Fang 表示，在施加特定电压时，这种混合材料会阻挡光；而施加另一种电压时，它则允许一种称为“超双曲性”的特殊发射和传播现象发生——这种现象此前未曾在光学系统中观察到。这种反常行为的一个结果是，极薄的材料片也能与光强烈相互作用，使光束能够通过施加在材料片上的电压进行引导、汇聚和控制。
Fang 表示：“这为在非常狭小的空间内发送和接收光创造了新的机会”，并可能带来“具有巨大光互连潜力的独特光学材料”。许多研究人员认为，改善光学和电子元件之间的互连，是实现更高效计算和成像系统的一条途径。
光与石墨烯相互作用会产生称为等离激元的粒子，而光与 hBN 相互作用则会产生声子。Fang 和同事发现，当这两种材料以特定方式组合时，等离激元和声子能够耦合，产生强共振。
研究人员表示，石墨烯的特性能够精确控制光，而 hBN 则能强烈限制并引导光。将两者结合，便有可能创造出兼具双方优势的新型“超材料”。
IBM 研究人员、论文合著者 Phaedon Avouris 表示：“这两种材料的组合提供了一个独特系统，使人们能够操控光学过程。”
研究人员表示，这些材料组合后形成一个经过调谐的系统，可进行调整，使只有特定波长或特定方向的光得以传播。Kumar 表示：“我们可以开始有选择地挑选某些频率[使其通过]，并阻挡另一些频率。”
Fang 表示，这些特性应能使人们制造尺寸约为 20 纳米的微型光波导——与目前微芯片能够制造的最小特征尺寸范围相同。他们表示，这有望带来在单个设备中集成光学和电子元件的芯片，其损耗远低于分别制造这些设备再将其互连时的损耗。
IBM 和明尼苏达大学研究人员、论文合著者 Tony Low 表示：“我们的工作为利用二维材料异质结构，按需设计新的光学特性铺平了道路。”
Fang 表示，另一种潜在应用源于在材料表面开关光束的能力；由于这种材料天然适用于近红外波长，这可能为红外光谱学开辟新途径。他还表示，对于放置在这种混合材料表面的生物分子，“它甚至可能实现单分子分辨率”。
卡内基梅隆大学机械工程助理教授 Sheng Shen（未参与这项研究）表示：“这项工作在理解石墨烯-hBN 中可调谐的光相互作用方面取得了重大进展。”他说，这项工作对于提供所需认识、推动开发基于石墨烯和 hBN 的光电子或光子器件“相当关键”，并且“可以为这类器件的设计提供直接的理论指导……我个人对这项新颖的理论研究感到非常兴奋。”
研究团队还包括香港理工大学的 Kin Hung Fung。这项工作得到了美国国家科学基金会和空军科学研究办公室的资助。
本文与 MIT News 合作发表。本文发表并不代表世界经济论坛认可其中观点。
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作者：David L. Chandler 是 MIT News 的撰稿人。
图片：图中展示的是艺术家 Olafur Eliasson 对太阳的巨型呈现作品，该作品是他在伦敦泰特现代美术馆涡轮大厅举办的“天气计划”项目的一部分。路透社 / Peter MacDiarmid。
