近日，數(shù)理學(xué)院碩士研究生成艷在國(guó)際知名學(xué)術(shù)期刊《Laser & Photonics Reviews》（IF=11.2，中科院和JCR分區(qū)均為1區(qū)）上發(fā)表題為“Hybrid Plasmonic Waveguides with Tunable ENZ Phenomenon Supported by 3D Dirac Semimetals”的文章?；?/span>半橢圓纖維-三維狄拉克半金屬-金襯底多層結(jié)構(gòu)中的介電常數(shù)近似為零(epsilon-near-zero，ENZ)效應(yīng)，文章研究分析了混合模式結(jié)構(gòu)在中紅外波段的可調(diào)節(jié)傳播特性。上海師范大學(xué)為論文的第一單位，數(shù)理學(xué)院2021級(jí)碩士生成艷同學(xué)為第一作者，何曉勇老師為通訊作者。文章鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1002/lpor.202400167。

基于三維狄拉克半金屬的中紅外波可調(diào)諧混合模式結(jié)構(gòu)示意圖

不同溫度下3D DSM介電常數(shù)的實(shí)部（a）和虛部（b），（c）傳播長(zhǎng)度，（d）歸一化有效模式面積。3D DSM層的費(fèi)米能級(jí)為0.12 eV

與石墨烯類(lèi)似，三維狄拉克半金屬（3D Dirac Semimetals, 3D DSM）具有載流子遷移率大、費(fèi)米速度高和光電特性易于調(diào)節(jié)的優(yōu)勢(shì)，很適合研制高性能的調(diào)控器件。ENZ（epsilon-near-zero）效應(yīng)是指在一個(gè)或多個(gè)頻率附近介電常數(shù)接近于零的一種有趣的光學(xué)現(xiàn)象，具有相速度接近無(wú)限大、電場(chǎng)局域增強(qiáng)和非線(xiàn)性響應(yīng)強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。在中紅外波段帶間躍遷的貢獻(xiàn)起到重要作用，導(dǎo)致3D DSM在轉(zhuǎn)變頻率(?ω≈2μc)附近的介電常數(shù)近似為零，并且ENZ區(qū)域隨著溫度和費(fèi)米能級(jí)改變可以靈活調(diào)節(jié)。

基于3D DSM中的ENZ現(xiàn)象，研究團(tuán)隊(duì)在SiO2-DSM-Au多層混合模式結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，通過(guò)改變溫度、結(jié)構(gòu)參數(shù)和費(fèi)米能級(jí)實(shí)現(xiàn)了對(duì)中紅外波的有效調(diào)節(jié)。研究表明當(dāng)溫度小于室溫時(shí)，混合模式的傳播長(zhǎng)度在ENZ區(qū)域出現(xiàn)明顯的突變，如在77 K時(shí)的突變比(最大值與最小值的比值)超過(guò)200。通過(guò)在0.08 ~ 0.15 eV范圍內(nèi)調(diào)節(jié)費(fèi)米能級(jí)，傳播長(zhǎng)度的突變可以在3.81~45.3范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，同時(shí)ENZ區(qū)域最大值的對(duì)應(yīng)頻率從27.9 THz增大到35.5 THz，發(fā)生了明顯的藍(lán)移現(xiàn)象。上述研究?jī)?nèi)容對(duì)于了解三維狄拉克半金屬調(diào)控器件的物理機(jī)制、開(kāi)展新型高性能表面等離子激元功能器件，如低閾值激光器、高品質(zhì)因子調(diào)制器和高品質(zhì)因子濾波器，提供了新的思路和方法。

本研究獲得上海市自然科學(xué)基金、上海地方高校能力建設(shè)項(xiàng)目和上海師范大學(xué)校級(jí)項(xiàng)目的支持。

（供稿、攝影：數(shù)理學(xué)院）