美国东北大学刘咏民AOM：基于双层二维范德华材料的可调光力

摘要：美国东北大学刘咏民教授课题组通过数值仿真和理论计算，研究了石墨烯/α相氧化钼双层二维材料表面纳米颗粒所受的光力。通过改变石墨烯的费米能级，在中红外波段实现了对光力大小和方向的调节。

关键词：石墨烯, α相氧化钼, 可调光力, 中红外, 二维范德华材料

利用光力来操控纳米颗粒已被广泛应用于物理、生物、机械工程等领域。通常情况下，当光照射到纳米颗粒上时，光的动量转化为纳米颗粒的动量，从而使其沿着光传播的方向移动。近年来，其它不同类型的光力也得到了广泛研究。比如横向光力可以使纳米颗粒延垂直于光传播的方向移动，而光牵引力则可以使颗粒延光传播的反方向移动。所有这些光力提高了控制纳米颗粒的灵活度，但如何实现光力的动态可调却鲜有报道。

本文利用石墨烯/α相三氧化钼（α-MoO₃）双层二维范德华材料实现对横向光力和光牵引力的动态调节，并展示了数值仿真和理论计算结果。当入射光为线性偏振平面波时，改变石墨烯的费米能级能调节光拉力的大小，光的波长为11微米时，光力大小有7倍的变化。而当入射光为圆偏振平面波时，改变石墨烯的费米能级能同时调节横向光力和光牵引力，从而调节面内光力的方向，光的波长为11微米时，光力可以产生大于30度的偏转。

通过对不同石墨烯费米能级下，石墨烯/α-MoO₃所支持的等离子体-声子混合极化激元在k空间的等频轮廓的研究，可以定性分析光力的动态变化。在较低费米能级下，所激发的等离子体-声子混合极化激元的等频轮廓呈双曲线型，而在较高费米能级下，对应的等频轮廓呈椭圆线型。因此激化激元在不同方向上传输的能量发生变化，导致实现对光力的调制。使用偶极子近似理论可以定量分析光力的变化。通过将平面波照射下的纳米颗粒等效为偶极子，并且结合广义传递矩阵法来计算相应的格林函数，可以理论计算出不同方向上光力的大小，理论计算结果与数值仿真的结果十分吻合。

研究者相信，此项研究将会拓宽光力操控纳米颗粒在相关应用的前景。相关论文在线发表在Advanced Optical Materials上。

论文信息：

Tunable Optical Forces Enabled by Bilayer van der Waals Materials

Ziqiang Cai, Renchao Jin, Yihao Xu, and Yongmin Liu

Advanced Optical Materials

DOI: 10.1002/adom.202301288