Science：可控制光偏振的三个原子厚黑磷材料

在生活中，人们时刻都在操控光线：戴墨镜、涂防晒霜、拉开窗帘等……这些操纵光线的行为如此稀松平常，以至于人们往往不会考虑到背后的原理。当然，人们也可以用一些更“高级”的手段控制光线：比如此刻你正在使用的电脑、平板或者手机屏幕，就是一个例子；又或者是通讯技术中，控制光产生光信号，并通过光纤电缆传输数据等。

实验室中，科学家们还会借助一些更高级的方法实现对光线的控制。一项新的研究显示，借助一种厚度仅有三个原子的特殊材料，科学家能够实现对光线前所未有的精准控制。Harry Atwater是美国加州理工学院工程和应用科学学院教授、美国“液态阳光联盟”（Liquid Sunlight Alliance, LiSA）主管，此项研究在他的实验室进行，研究发表于10月22日Science上。

图1 光线在黑磷表面反射后改变偏振态的示意图

为理解这项工作，首先要理解光波的概念：光以波的形式存在，且具有“偏振”特性。偏振即光的波动方向；想象一下，你在一艘在海上起起伏伏的船上，将会看到海浪在垂直方向上的偏振，船会随着海浪上下波动。光波的行为和海浪相似，不同的是光波可以沿任何方向偏振。如果一艘船在“光波”组成的海洋上航行，那么这艘船可能会左右摇摆，也可能沿45度角起起伏伏，甚至螺旋浮动。

图2 偏振是指波（包括光波在内）的振动方向；偏振方向可以被改变

偏振是一种非常有用的特性，借助偏振，人们可以以特定方式控制光。一个常见的例子是，墨镜的镜片可以遮挡眩光，原因是当光线经过车窗玻璃等表面反射后，就会变成偏振光；计算器屏幕也利用了偏振的原理，通过遮挡偏振光线显示数字——偏振光被遮挡的区域为暗，没有被遮挡的区域为亮。

在这篇论文中，Atwater及其他作者使用三层磷原子，制造了一种可调、精确、极薄的偏振光材料。这种材料由黑磷构成。黑磷在许多方面与石墨和石墨烯类似；石墨烯是一种碳的单质，由单原子厚的碳原子层组成。但石墨烯的层是完全平坦的，而黑磷的层是棱纹形的，就像一条灯芯绒布料或波纹纸板的纹理那样。（磷单质还有红色、白色和紫色三种形式，不同颜色磷单质内部原子的排列方式不同。

Atwater说，这种晶体结构使黑磷具有显著的各向异性光学特性。“各向异性即材料的特性与其角度有关。在像石墨烯这样的材料中，不论光沿何种方向偏振，其吸收、反射特性都是相同的。而黑磷则不同，光线平行和垂直于棱纹偏振的情况下，其响应截然不同。”

当光线的偏振方向与黑磷的棱纹相交时，与光线的偏振方向平行于黑磷的棱纹方向的响应是不同的。这种不同就好像用手抚摸灯芯绒的布料，与棱纹垂直的方向要比平行于棱纹方向感受到的摩擦力更大。

图3 图为一种利用偏振光来显示数字的计算器屏幕

尽管许多材料都可以使光偏振，但这种特性大多都无多大用处。Atwater说，黑磷的特殊之处在于它是一种半导体，其导电性介于玻璃等绝缘体和铜等金属之间。芯片中的硅也是一种半导体，正如在芯片中由硅制成的微型结构可以控制芯片中电流的流动一样，由黑磷制成的结构将能够在电信号的控制下，调节光的偏振。

Atwater说：“黑磷组成的微结构具备调节偏振的能力，因此借助这些微结构，可以制作出纳米级极薄的可调装置。我们可以把这些微结构连接成一个阵列，每个微结构都具备调节反射偏振态的能力。”

手机屏幕和电视上使用的液晶显示器（LCD）技术已经利用了偏振控制的原理，但黑磷材料带来的好处有望远远超过LCD技术。黑磷阵列中的“像素”将能比液晶显示器的“像素”小20倍，但对输入的响应速度却要快100万倍。

Atwater说，尽管人们在网上看电影、阅读文章时，并不要求非常快的速度，但在信号传输方面这一技术将带来革命性的变化。在电信设备中，光信号通过光纤传输，直到信号产生串扰并最终被噪声吞没（就像在拥挤嘈杂的酒吧里试图听清朋友说的话一样）。但如果能发明一种基于薄黑磷层的电信设备，独立调节每个信号的偏振，就可以消除信号间的相互干扰，从而使光纤电缆传输比如今更多的数据。

图4 图为一种灯芯绒布料，黑磷的棱纹结构与之类似

Atwater说，这项技术还可能为基于光的Wi-Fi（Li-Fi）的替代品打开大门。“人们越来越多地将目光转向自由空间光通信上，” 他说，“我桌面上的这种灯，虽然看起来很酷，但它只具备照明功能，它的灯光并没有传递任何信号。想象一下，如果未来你坐在星巴克里，笔记本电脑受到光照就能接收网络信号，那该多好啊。尽管Li-Fi技术尚未实现，但假以时日一旦实现，将比Wi-Fi快至少一百倍。”

文章标题为“Broadband electro-optic polarization conversion with atomically thin black phosphorus”。该研究的主要作者是应用物理学研究生Souvik Biswas。其他作者包括应用物理和材料科学博士后Meir Y. Grajower，以及日本国家材料科学研究所的Kenji Watanabe和Takashi Taniguchi。

Biswas说：“这是令人振奋的时刻，这种新材料将有望重塑光子器件的未来。尽管目前我们的研究仅仅是管中窥豹，但我相信未来某天，由这种原子薄层材料制成的产品将有望走进千家万户。相信这一天不会太远。”