石墨烯制成世界最薄偏光镜


  石墨烯是一种超平坦的单层碳原子,属于六角形晶格(crystal lattice),引起了强烈的研究兴趣,原因是它独特的电学和光子属性。它的发现是作为世界首例二维材料,两名英国科学家获得了2010年诺贝尔物理学奖。

  现在,布鲁塞尔自由大学(ULB :Univ Libre Bruxelles)应用科学学院光学、光子技术、电磁、辐射、声学业务部(Service OPÉRA:Optique,Photonique,Électromagnétisme,Radio,Acoustique)研究光子技术的张含(Han Zhang)博士,联合新加坡国立大学(National University of Singapore)的罗教授(Prof. Loh),展示了世界上最薄的偏光镜,它依靠耦合,引导和两极分化电磁波,采用的就是石墨烯。他们声称,这项突破有一天会集成到全光子电路(all-photonic circuits),进行高速光通信(optical communications)。

  光学偏光镜(Optical polarizers)是相干和量子光通信(coherent and quantum optical communications)的基本组件,可以分离光信号的偏振状态(polarization state)。如今,需求日益增长的高速光纤通信是采用手机,这就要求微型化的光电器件。然而,传统的光学偏光镜是片状棱镜(prism)和布鲁斯特角(Brewster-angle)偏光镜,价格昂贵,体积大,分散,可能需要额外校准。要感谢石墨烯超广谱的光学属性,这是源自它特殊的能带(energy band)结构,就像所展示的石墨烯偏振片表明,它具有非常广的运行频带宽度,至少是从可见光到中红外光(mid-infrared)。制造石墨烯偏光镜,结合优越的低成本(低至几个欧元),紧凑的外形,超快弛豫时间(relaxation time)和广阔的操作范围,他们预计,这种装置将带来新的架构,用于芯片上的高速光通信。

  除了工业上的潜力,这项研究发表于5月30日的《自然光子学》,也具有基础研究方面的重要性。它阐明,光传播如何沿着超薄二维表面进行。利用基于光纤的光通道,现在我们很容易地发现,石墨烯如何引导电磁波,又与它相互作用,这种极化效应(polarizing effect)归因于两个极化模式(polarization modes)的微分衰减(differential attenuation)。这是个新的概念发现,必然会导致新的物理学,例如,把电磁波或等离子体限制在石墨烯晶格(graphene lattice)表面。在随后的几年,光电子、等离子体和纳米科学学术界的研究人员会发现,这种石墨烯偏光镜结构可作为新的试验平台,测试他们一直在研究的思路和方法,在各自的领域铺平道路,走向全碳式光子等离子体设备(all-carbon photonic-plasmonics devices)。