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近場光學顯微鏡多重光學魔角取得突破性進展，實現面內360°全角度調控！
轉角范德華材料所展現的一系列非凡物理特性，包括但不限于其超導性、分形量子、霍爾效應和納米級光子晶體結構，為光子在納米尺度上的傳播調控提供了潛在的抓手。所謂轉角范德華材料，一般是指將兩層或多層各向異性二維材料進行堆疊并保持一定轉角，由此可以觀測到光場能量沿著特定方向低損耗且無衍射地傳播。
截至到目前，盡管很多轉角材料，如雙層石墨烯，三層石墨烯和對雙層石墨烯等，都在各種研究中展現出了有趣的物理特性，但具體到上述轉角傳播特性，雙層α-MoO3是較為優秀的。不過，這種雙層結構也具有巨大的局限性：即兩層材料間只存在一個轉角值。也就是說，這種材料的光子傳播方向和激發所需的頻率已經被轉角值和材料厚度鎖死了，無法借此生成全角度可調的器件。
為此，研究者利用自主搭建的微操控平臺，生成了基于雙層α-MoO3的三層α-MoO3。因其兩兩材料之間的轉角值可以進行精確控制，材料生成的靈活性有了顯著提高。在此基礎上，研究人員基于二維模型，考慮了材料厚度與空氣層的存在，建立了更加普適的理論模型。通過計算三層轉角α-MoO3體系中極化激元等頻線，得出了通過改變三層α-MoO3晶體轉角，理論上可以實現納米紅外光場低損耗、無衍射傳播的面內全角度調控（0-360°）的結論，且這種結論是在寬光譜頻率下有效的。就此，研究的重點落在上述結論的實驗證明。
（1）光子極化激元傳播的全角度可調
研究者通過組合不同層材料之間的轉角值，獲得了各種角度的光子低損耗無衍射傳播。這種傳播是通過Neaspec 10 nm 超高分辨散射式近場光學顯微鏡-neaSNOM觀測的。氧化鉬表面的金納米天線可以有效的聚焦紅外光，從而激發極化激元。通過針尖散射，設備收集到了信噪比非常高的光學振幅信號。該信號的成像在納米尺度上反映了極化激元的傳播方向。
超高分辨散射式近場光學顯微鏡-neaSNOM
下圖中，作者展示了θ1-2=30°, θ1-3 =-90°，θ1-2=30°, θ1-3 =-90°，θ1-2=30°, θ1-3 =-40°時的光學振幅成像。可以發現，極化激元在以上三種堆疊角度下分別呈140°，80°和50°傳播。這與模型預測的值十分接近。通過組合不同堆疊角度并利用超高分辨散射式近場光學顯微鏡-neaSNOM順利可視化地驗證了所有轉播角度的可調性。
（2）光子極化激元傳播的寬光頻譜特性
研究者表示三層α-MoO3不但具有全角度可調性，還對激發光源的頻率適配性更強，可以使用的頻譜更寬。該特性的驗證依然借助了超高分辨散射式近場光學顯微鏡-neaSNOM，通過使用不同頻率的激發光源聚焦針尖并收集散射的信號，研究者可以獲得納米尺度高信噪比的光子極化激元對應不同激發頻率的傳播成像。
下圖中，研究者使用波數為901 cm-1，909 cm-1，917 cm-1，和930 cm-1的激發光源分別生成極化激元。結果顯示，在材料結構固定的情況下，所有極化激元的傳播角度都維持在了50°，很好地驗證并展示了材料的寬光譜特性。而超高分辨散射式近場光學顯微鏡-neaSNOM所配備的高波數分辨率中紅外激光器，也為不同波數下的成像研究提供了先決條件。
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綜上，研究者通過生成三層α-MoO3結構，彌補了雙層α-MoO3中存在的不足，使得極化激元的全角度可調以及寬光譜適配性成為了可能。有助于推動“轉角光子學”在光信息傳輸、納米成像、集成光子電路、光熱轉換等多領域的應用。
參考文獻：
[1]. Duan, J., álvarez-Pérez, G., Lanza, C. et al. Multiple and spectrally robust photonic magic angles in reconfigurable α-MoO3 trilayers. Nat. Mater. (2023).
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