OE1022鎖相放大器在二維扭曲異質結構中的工程剪切極化子實驗的應用_abio生物試劑品牌網
【概述】
2025年，同濟大學程鑫彬教授和江濤教授團隊在nature communications發表了一篇題為”Engineering shear polaritons in 2D twisted heterostructures”的文章，探究了一種新型的HShPs(hyperbolic shear polaritons,雙曲剪切極化子)的動態實時重構手段，通過扭轉雙層α-MoO?（一種二維材料）結構，人工引入剪切效應，實現HShPs的可控激發與調控。
【實驗材料準備】
文章通過機械剝離法制備α-MoO?薄層，精確控制上下層厚度（d1,d2）和扭轉角度（θ）；制備雙層α-MoO?/石墨烯異質結器件，通過背柵電壓調控石墨烯的費米能級（E_F）；如圖1(a)所示，使用紅外近場光學顯微鏡在931cm^-1光波頻率下激發HShPs，觀測其非對稱傳播和場分布，利用傅里葉變換分析提取動量空間中的等頻線(IFCs)、量化剪切因子(Shear factor)和品質因子(Q)，通過改變柵壓（V_g）調節石墨烯的費米能級，動態改變HShPs的傳播方向和拓撲特性。
其中，動態調控石墨烯的過程面臨不小的挑戰，石墨烯電阻變化信號幅度極小，極易被環境噪聲淹沒，需要高靈敏度、高信噪比的測量工具精確關聯Ef與HShPs的動態變化。此時，賽恩科儀OE1022鎖相放大器作為實驗中的核心檢測設備，負責實時記錄石墨烯電阻的微小變化，為動態調控HShPs提供關鍵測量數據支持。
圖1.(a)紅外散射型掃描近場光學顯微鏡測量扭曲雙層α-MoO? 中的工程HShPs 示意圖
(b)θ值的增加會使 HShPs 的等頻等值線（IFCs）從雙曲線（黃色）轉變為管狀（藍色）
(c)在固定θ = 60°和d2 = 170 nm的情況下，頂層厚度可用于控制IFC的形狀
(d、e)透射矩陣法得到的反射系數（Im(rpp)）和有限差分時域（FDTD）模擬得到的實空間場分布（Re(EZ)）
圖2.(a)扭曲雙層α-MoO?/石墨烯異質結構示意圖；Ein 和 Eout分別表示入射和散射電場；
VDS：漏極-源極電壓；VBG：背柵電壓（調控石墨烯電阻）
（b）不同費米能級EF下HShPs的計算顯示，柵極調整可用于改變HShPs的拓撲結構和方向，
雙曲（黃色）過渡到橢圓（藍色）
(r)EF越負，剪切因子越大，這表明柵極調諧誘導HShPs 的不對稱性增強
(c)-(q)不同EF下的HShPs實驗近場圖像，以及其傅里葉光譜
2025年，同濟大學程鑫彬教授和江濤教授團隊在nature communications發表了一篇題為”Engineering shear polaritons in 2D twisted heterostructures”的文章，探究了一種新型的HShPs(hyperbolic shear polaritons,雙曲剪切極化子)的動態實時重構手段，通過扭轉雙層α-MoO?（一種二維材料）結構，人工引入剪切效應，實現HShPs的可控激發與調控。
【實驗材料準備】
文章通過機械剝離法制備α-MoO?薄層，精確控制上下層厚度（d1,d2）和扭轉角度（θ）；制備雙層α-MoO?/石墨烯異質結器件，通過背柵電壓調控石墨烯的費米能級（E_F）；如圖1(a)所示，使用紅外近場光學顯微鏡在931cm^-1光波頻率下激發HShPs，觀測其非對稱傳播和場分布，利用傅里葉變換分析提取動量空間中的等頻線(IFCs)、量化剪切因子(Shear factor)和品質因子(Q)，通過改變柵壓（V_g）調節石墨烯的費米能級，動態改變HShPs的傳播方向和拓撲特性。
其中，動態調控石墨烯的過程面臨不小的挑戰，石墨烯電阻變化信號幅度極小，極易被環境噪聲淹沒，需要高靈敏度、高信噪比的測量工具精確關聯Ef與HShPs的動態變化。此時，賽恩科儀OE1022鎖相放大器作為實驗中的核心檢測設備，負責實時記錄石墨烯電阻的微小變化，為動態調控HShPs提供關鍵測量數據支持。
圖1.(a)紅外散射型掃描近場光學顯微鏡測量扭曲雙層α-MoO? 中的工程HShPs 示意圖
(b)θ值的增加會使 HShPs 的等頻等值線（IFCs）從雙曲線（黃色）轉變為管狀（藍色）
(c)在固定θ = 60°和d2 = 170 nm的情況下，頂層厚度可用于控制IFC的形狀
(d、e)透射矩陣法得到的反射系數（Im(rpp)）和有限差分時域（FDTD）模擬得到的實空間場分布（Re(EZ)）
【測量系統搭建】
具體實驗測量系統如圖2(a)所示，其中由Keithley 2450源表施加背柵電壓VBG，用于調制石墨烯載流子濃度進而改變石墨烯電阻與費米能級（E_F對載流子濃度變化極為敏感），從而動態改變HShPs傳播方向，并誘導拓撲轉變（如圖2(b)所示，雙曲→橢圓色散）；由賽恩科儀OE1022鎖相放大器實時、精確監測石墨烯電阻R，記錄R-VBG曲線，結合霍爾效應模型計算EF。最終關聯OE1022輸出數據與s-SNOM近成像結果，建立EF-HShPs動態調控模型。
圖2.(a)扭曲雙層α-MoO?/石墨烯異質結構示意圖；Ein 和 Eout分別表示入射和散射電場；
VDS：漏極-源極電壓；VBG：背柵電壓（調控石墨烯電阻）
（b）不同費米能級EF下HShPs的計算顯示，柵極調整可用于改變HShPs的拓撲結構和方向，
雙曲（黃色）過渡到橢圓（藍色）
(r)EF越負，剪切因子越大，這表明柵極調諧誘導HShPs 的不對稱性增強
(c)-(q)不同EF下的HShPs實驗近場圖像，以及其傅里葉光譜
【總結】
通過二維材料扭轉和異質結集成，本實驗首次在非單斜晶系材料中實現HShPs的可控激發與動態重構，突破了傳統體材料的局限性。該平臺實現了HShPs的多維調控（靜態+動態），為片上極化激元器件（如光學開關、調制器）和亞衍射成像提供了新思路。
【參考文獻】
Engineering shear polaritons in 2D twisted heterostructures. | Nature Communications
