OE1022锁相放大器在二维扭曲异质结构中的工程剪切极化子实验应用

2025年，同济大学程鑫彬教授和江涛教授团队在nature communications发表了一篇题为“Engineering shear polaritons in 2D twisted heterostructures”的文章，探究了一种新型的HShPs(hyperbolic shear polaritons,双曲剪切极化子)的动态实时重构手段，通过扭转双层α-MoO₃(一种二维材料)结构，人工引入剪切效应，实现HShPs的可控激发与调控。

实验材料准备

文章通过机械剥离法制备α-MoO3薄层，精确控制上下层厚度(d1,d2)和扭转角度(θ);制备双层α-MoO3/石墨烯异质结器件，通过背栅电压调控石墨烯的费米能级(E_F);如图1(a)所示，使用红外近场光学显微镜在931cm-1光波频率下激发HShPs，观测其非对称传播和场分布，利用傅里叶变换分析提取动量空间中的等频线(IFCs)、量化剪切因子(Shear factor)和品质因子(Q)，通过改变栅压(V_g)调节石墨烯的费米能级，动态改变HShPs的传播方向和拓扑特性。

其中，动态调控石墨烯的过程面临不小的挑战，石墨烯电阻变化信号幅度极小，极易被环境噪声淹没，需要高灵敏度、高信噪比的测量工具精确关联Ef与HShPs的动态变化。此时，赛恩科仪OE1022锁相放大器作为实验中的核心检测设备，负责实时记录石墨烯电阻的微小变化，为动态调控HShPs提供关键测量数据支持。

图1.(a)红外散射型扫描近场光学显微镜测量扭曲双层α-MoO3中的工程 HShPs 示意图

(b)θ值的增加会使 HShPs 的等频等值线(IFCs)从双曲线(黄色)转变为管状(蓝色)

(c)在固定θ = 60°和d2 = 170 nm的情况下，顶层厚度可用于控制IFC的形状

(d、e)透射矩阵法得到的反射系数(Im(rpp))和有限差分时域(FDTD)模拟得到的实空间场分布(Re(EZ))

测量系统搭建

具体实验测量系统如图2(a)所示，其中由Keithley 2450源表施加背栅电压VBG，用于调制石墨烯载流子浓度进而改变石墨烯电阻与费米能级(E_F对载流子浓度变化极为敏感)，从而动态改变HShPs传播方向，并诱导拓扑转变(如图2(b)所示，双曲→椭圆色散);由赛恩科仪OE1022锁相放大器实时、精确监测石墨烯电阻R，记录R-VBG曲线，结合霍尔效应模型计算EF。最终关联OE1022输出数据与s-SNOM近成像结果，建立EF-HShPs动态调控模型。

图2.(a)扭曲双层α-MoO3 /石墨烯异质结构示意图;Ein和Eout分别表示入射和散射电场;VDS：漏极-源极电压;VBG：背栅电压(调控石墨烯电阻)，(b)不同费米能级EF下HShPs的计算显示，栅极调整可用于改变HShPs的拓扑结构和方向，从双曲(黄色)过渡到椭圆(蓝色)，(r)EF越负，剪切因子越大，这表明栅极调谐诱导 HShPs 的不对称性增强，(c)-(q)不同EF下的HShPs实验近场图像，以及其傅里叶光谱。

总结

通过二维材料扭转和异质结集成，本实验首次在非单斜晶系材料中实现HShPs的可控激发与动态重构，突破了传统体材料的局限性。该平台实现了HShPs的多维调控(静态+动态)，为片上极化激元器件(如光学开关、调制器)和亚衍射成像提供了新思路。

审核编辑 黄宇