原子级透镜的激子共振调谐

自从1970代以来，衍射光学元件研究已经取得了长足发展。研究人员发现了越来越多的复杂光学原理，并以轻薄光学元件取代了笨重的光学元件。最近，研究人员已经开始尝试应用包含密集金属或半导体纳米结构阵列的纳米超表面。

原子级且可调的平透镜

超表面可以有效控制基于等离子体或三重谐振腔的局部光散射相位和振幅。科学家们在研究了这两种类型的谐振后，已经能提供多功能性和跨光场的控制。虽然这种超表面函数一直保持静态，但对于新兴的光子应用而言，动态控制是不可或缺的。

电浆子和三重共振只能提供微弱的电可调性，而数十年的光学调制研究表明，激子操纵可以更好地控制材料的光学性质。

然而，研究人员认为，还需要用原子级光学元件证实激子在波阵面处理中起到的关键作用。《自然·光电子》杂志报道，研究人员Jorik van de Groep等设计了一种可主动控制的原子级光学元件。他们直接利用单层二硫化钨蚀刻出了基板，然后通过改变材料的共振性能，以及二维材料排列方式的优化，实现了特定的光学功能——共振和可调谐的光-物质相互作用。

研究人员将二硫化钨环视作由入射平面波驱动的散射场源，并发现局部散射场与二硫化钨的极化成正比。因此，研究人员认为激子共振附近的散射可能是最强的。

材料敏感性和聚焦效率

新型透镜可以从周围环境中获取重要信息。聚焦效率的谱依赖性与二硫化钨单分子层的磁化率有关。虽然研究人员无法分离出散射场，但他们收集了大范围内的弱散射光，并确定了实验样板的高聚焦强度。

研究人员先利用电门控技术改变二硫化钨的激子共振来控制透镜的聚焦效率，发现激子抑制是完全可逆和高可复制的。随后，研究人员利用激子共振的强可调性控制了透镜焦点的强度。他们发现，在二硫化钨/石墨烯异质结构上施加3V栅偏置，可以完全抑制非对称激子线。而利用激子共振的可逆转换，又能够恢复中性共振态。

由于商用二硫化钨的质量相对较差，研究人员测得的聚焦效率相对较低且受到限制。为此，研究人员决定通过提高二硫化钨的大面积生长来显著提高聚焦效率。研究人员还实现了激子主导态和激子失稳态的重复切换，以及对激子光散射幅值的主动控制。

Jorik van de Groep等证实了激子材料共振对原子级光学透镜操控的重要性。这项成果有望为动态平面光学和超表面应用的设计注入新的活力。

原文链接：https://phys.org/news/2020-05-exciton-resonance-tuning-atomically-thin.html