作者：Sally Cole Johnson

图1：Daniel Timmer（前）与Moritz Gittinger在实验室操作二维电子光谱（2DES）系统。（图片来源：Mortiz Gittinger）

德国奥尔登堡大学物理学教授Christoph Lienau领导的一个由来自意大利、英国和德国的研究人员组成的团队，通过将银的纳米结构与原子级的薄半导体层相结合，创建了一种可作为光学晶体管的超快开关反射镜器件，其开关速度比当今的电子晶体管快10,000倍。

该团队的目标是找到一种材料，其反射特性可以通过高度聚焦的激光束在几飞秒内进行切换。

极化激元（polaritons）是光与物质态的混合激发准粒子，当激子等物质激发与电磁场发生强相互作用时，即可产生这种准粒子。这可以通过将光限制在微腔内两个极近的镜子之间，或通过等离子体纳米结构来实现。

这种强耦合最直接的标志，是光与物质激发之间的周期性能量转移。“我们希望在时间域内直接探测这些能量转移过程，”与Lienau合作的博士后研究员Daniel Timmer说。“然而遗憾的是，这些拉比振荡很难观测，因为它需要大约10 fs的时间分辨率。”

在过去的几年中，该团队开发了一种高灵敏度、超快的装置，用来开展二维相干光谱（two-dimensional electronic microscopy，2DES）研究——这是最适合用于追踪混合系统内能量流动的一种激光光谱方法。“虽然这些2DES实验非常强大，但结果通常相当复杂，往往需要大量建模才能从中提取全部信息。”Timmer说。

近期，该团队首次在基于分子量子发射体的等离子体纳米结构中，利用 2DES 成功观测到了这类超快拉比振荡动力学。

“在这项新工作中，我们希望用原子级薄半导体构成的纳米结构，观测到类似的超快、周期性能量转移。这类单层材料目前是量子材料领域的研究热点，相关实验与理论工作非常广泛。”Timmer表示。

 纳米结构设计

该团队设计了一种纳米结构：在银膜上的周期性纳米狭缝阵列上，沉积一层二硫化钨单原子层。这些狭缝将远场光耦合为阵列表面的表面等离激元极化激元场（SPP）。

“我们首次观测到二硫化钨薄膜中等离子体与激子之间的相干能量交换。”Lienau说，“我们发现，基于这类原子级薄半导体的极化激元寿命极短，会在50 fs内快速弛豫为材料的暗激发态。利用 2DES，我们不仅能观测到极化激元的衰减，还能看到材料内部的多体相互作用如何影响极化激元。这种超快的极化激元向暗态跃迁，有望用于以前所未有的速度实现‘光控光’开关。”

该团队样品（一种覆盖有单层过渡金属硫族化合物的金属纳米结构）的设计和制造，是与英国剑桥大学石墨烯中心主任、纳米技术教授Andrea Ferrari及其团队合作完成的。

“在制备纳米结构前，我们先通过数值模拟进行设计，优化几何结构与制备参数，以实现单层激子与纳米结构等离子体之间的目标相互作用。” 与Lienau合作的另一位博士后研究员Moritz Gittinger说，“我们通过聚焦镓离子束刻蚀，在银膜上制备出纳米狭缝阵列：离子束精确地从银膜上移除材料，产生一个狭缝宽度与深度均为45 nm的狭缝阵列，狭缝周期为495 nm。我们在剑桥的合作伙伴在其上沉积一层绝缘氧化铝，再将单层二硫化钨转移到这片 20×50 μm² 的结构顶部。”

2DES 工作原理

在超快 2DES 实验中，团队使用了一套自制的激光系统（非共线光学参量放大器），可产生9 fs的激光脉冲，脉冲重复频率175 kHz。

“2DES 本质上是一种泵浦-探测实验：我们用超短激光脉冲激发并探测系统，时间分辨率仅受脉冲持续时间限制。” Timmer解释说，“改变泵浦–探测延迟，使我们能够追踪系统的动力学过程。在 2DES 中，我们将激光束分成三束可变延迟的激光脉冲，并将它们聚焦到样品上。前两束脉冲用于激发体系，我们可以使用一种特殊的被动相位稳定干涉仪在它们之间引入稳定的延迟。这种干涉仪是由意大利米兰理工大学的物理学教授Giulio Cerullo及其团队发明的，名为基于平移楔块的相同脉冲编码系统（TWINS）。”

通过扫描这一延迟，激发脉冲的干涉效应可等效产生梳齿间距可调的光频率梳。“这让我们能根据光学跃迁所需光子能量，来调控是否激发体系中的特定光学共振。”Timmer说，“通过傅里叶变换，我们能够得到激发路径的能量信息。

然后，第三束标记为‘探测’的脉冲，则在一定演化时间后对系统进行探测，从而测量泵浦脉冲如何改变样品的反射率。”

利用高速、高灵敏度光谱仪测量探测光反射率，使团队能够获得探测能量信息，并最终得到一系列能量-能量图谱，将体系的激发能量与探测能量相关联，得到其随泵浦脉冲与探测脉冲之间延迟的变化规律（作为泵浦-探测脉冲延迟的函数）。相比于常用的单脉冲泵浦-探测光谱，这一额外的激发维度使研究人员能够发现量子体系中隐藏的相互作用与跃迁路径。

“令我们最惊讶的发现之一，是混合纳米结构的光学非线性大幅增强。”Timmer说，“当单原子层直接放在裸银膜上时，只表现出微弱的光学非线性（泵浦诱导反射率变化）；但先在银膜上刻出纳米狭缝阵列，再覆盖单原子层，其非线性就会显著增强超过 20 倍。”

这些纳米狭缝能极其高效率地激发表面等离子体，它们与单层激子的杂化，显著增强了光学非线性。在该团队此前针对分子发射体的研究中，并未观测到这类增强，并且在这次实验中也没有预料到。

在过去的数年中，该团队一直致力于优化 2DES 装置的稳定性与灵敏度，以达到10 fs或更小的高分辨率。“我们通过基于镱的激光系统和自建的非共线光学参量放大器，实现了这一突破。如今，以 100 kHz 的重复频率获取接近散粒噪声极限的光谱信号，并具有非常高的短期和长期稳定性—— 甚至可连续运行数天。”Timmer说，“与此前基于钛蓝宝石放大器的 5 kHz 系统相比，这是一个颠覆性的改变。灵敏度与速度的大幅飞跃，开辟了一种全新的工作和实验方式。”

图2：实验装置的一部分：TWINS 干涉仪用于产生相位稳定的激发脉冲对。（图片来源：Moritz Gittinger）

模拟工作

2DES 实验通常能提供丰富的实验数据，但解读这些实验数据极具挑战性。“对分子与固态纳米结构的 2DES 光谱尤其如此，因为这些系统的电子退相时间通常很短，而且光谱也往往十分密集。”Lienau 说，“目前，全球都在大力推进 2DES 光谱的理论理解，特别是这些光谱中极化激元的特征。”

在这项工作中，该团队开展了自主量子力学模型模拟，以便通过 2DES 特征更好地理解极化激元的非线性光学特性及其超快动力学。这使他们能够区分纳米结构中的不同信号，特别是相干极化激元（原则上代表光和物质激发之间相干能量转移）与非相干极化激元和暗态之间的区别。由于后两者可能具有相似的光学非线性，因此很难将它们与最初激发的相干极化激元区分开来。团队通过将2DES与他们的模型模拟相结合，成功观测到了它们之间的转变。

基于极化激元的光子计算

为了实现基于极化激元的光子计算，目前有大量研究工作正致力于实现超快光控光开关。结合本团队工作，这意味着样品的光学特性可实现多快的可逆调控，以及如何最小化此开关过程所需的泵浦脉冲能量（光子数）。

“我们在米兰的合作伙伴最近证实，基于原子级薄半导体的极化激元确实可用于这类开关，开关时间约几百飞秒，所需的泵浦脉冲能量仅为几皮焦。”Lienau 说，“而我们样品中50 fs内相干极化激元布居的快速衰减表明，实现10 fs量级的更快开关是现实可行的。目前，这种超快的开关动力学仍然被快速填充的暗极化激元态所掩盖。抑制这些暗态群体，将是未来实现这一超快开关的关键任务。”

超快相干极化激元动力学

该团队正依托 2DES 实验在灵敏度与稳定性上的提升，继续探索超快相干极化激元动力学。

尽管投入巨大努力，且针对极化激元体系的超快研究并不少见，目前能直接探测相干极化激元动力学（如拉比振荡）的研究仍然有限。“其中的主要原因在于：振荡周期极短（10~100 fs），并且普遍存在快速退相机制（<100 fs），这些都会阻尼这类相干现象，使其观测极为困难。”Lienau说。

设计一个具有足够强耦合强度和更长退相时间的系统，“将有望为相干全光开关和信息处理开辟新的可能性，”Lienau补充道，“将原子级薄半导体层与低损耗光子腔耦合，可能对此至关重要。目前这方面的研究正在进行中。此外，若能将 2DES 时间分辨率进一步提升至1 fs以下，将有望为功能纳米结构与新型量子材料的量子动力学带来全新视角。”