石墨烯等离激元非互易传输系统光场局域调控研究

Due to the important potential applications in optical communication, detecting, transducer, nonlinear process, biosensing, optical storage, imaging, etc., enhancing and tuning of SPPs Localization have recently attract much attentions. Especially, magnetized semiconductor non-reciprocal systems were proposed by Tsakmakidis et al. in journal of SCIENCE in 2017, opening a new way to enhance and tune the localization of light. However, requirement of huge magnetic is a challenge for practice. Comparatively, PT-symmetric and graded grating systems may offer another alternative. Moreover, as the current research hotspot, graphene SPPs not only can support terahertz wave propagating, but also provide higher tunability and better enhancement than other SPPs modes. In term of these, studies on tuning of wave localization in graphene plasmonic non-reciprocal systems are proposed in this project. In which, structural parameters to construct the systems and physical laws to tune the wave localization are explored theoretically and experimentally. Surely the developing of this project will facilitate enhancing and tuning of wave Localization to apply more deeply in domains including physics and biology. So far, we have got some experience on research of PT-symmetric, graded grating and SPPs devices, building the foundation for the going of this project.

SPPs光场局域增强及调控在通信、光探测、能量转换、非线性光学过程、生物传感、数据存储、高分辨成像等各方面都有重要应用，近年来受到广泛关注。其中，2017年，Tsakmakidis等人在science上提出磁光材料非互易系统，开辟光强局域增强及调控新思路，但其强磁场条件使实际实现面临挑战。相较而言，基于PT对称及渐变光栅的非互易传输系统更具借鉴性。另外，作为近期研究热点的石墨烯SPPs较其它SPPs方式不但能支持太赫兹波段，且具有高可调控性和更好的场局域增强效应。基于此，本项目提出石墨烯SPPs非互易传输系统光场局域调控研究，研究系统构建参数条件及光场局域调控规律，并在实验上展开研究。项目的开展对推进光场局域增强及调控在生物、物理等领域深入应用都具有十分积极意义。目前我们已在PT对称、渐变光栅、SPPs器件理论及实验方面积累了研究经验，为本项目的开展打下了基础。

项目提出石墨烯SPPs非互易传输系统光场局域调控研究，研究系统构建参数条件及光场局域调控规律，同时在实验上展开相应工作。目前，该项目已顺利完成。.项目对太赫兹波段石墨烯SPPs、PT对称、超材料、拓扑传输等特性进行了深入探索。基于结构参数与石墨烯 SPPs 等效折射率之间的规律关系，提出了石墨烯-黑磷异质结构，其中石墨烯和黑磷条带之间的距离参数可调制两者间存在的强等离子体共振，该强等离子体共振在扶手椅和锯齿方向均可存在，在此基础上，对石墨烯条带SPPs激发、共振吸收和场分布特性进行了仿真和实验研究，对黑磷的各向异性拉曼光谱和电学特性进行了实验研究。.同时，设计了分裂环谐振超材料，通过调节谐振环和缺口处硅岛的结构参数可实现极化空间的PT对称/对称破缺相变；该谐振结构PT对称相变特性亦可用于对牛血清蛋白的生物检测。设计了金属-石墨烯等离子体共振结构实现强耦合和拉比分裂，可支持对特定蛋白的高灵敏检测；设计了V形天线超表面结构实现了太赫兹波段的等离子平面聚焦、异常折射/反射、光束定向和高空间分辨率，并设计了等离子体鱼网结构实现了双频太赫兹左手超材料。.另外，我们对太赫兹波段光子拓扑传输进行了探索，分别设计Kagome格子结构和三开口环结构，实现了太赫兹波段谷霍尔拓扑传输，研究发现在拓扑输运中存在了四种类型的边界态，使用太赫兹时域光谱（TDS）表征了所制备的拓扑波导的性能，研究了拓扑波导中存在的负折射现象。同时，基于第一性原理，研究了对太赫兹信号有较高的太赫兹光响应度的II型Dirac半金属PtTe2。.项目负责人以该课题基金号发表第一作者/通信作者SCI论文18篇、参与作者SCI论文6篇，更深入的研究正在进展中。 项目的开展对深入理解太赫兹波段石墨烯SPPs、PT对称、超材料、拓扑传输等物理本质、推动THz 在不同领域尤其是通信上的应用具有十分积极意义。