Science：黑磷操纵光

撰稿 | 杨向飞（北京大学，博士生）

掌控光？听起来真是匪夷所思。但事实上，日常生活中我们戴个墨镜、涂涂防晒、开关窗帘等行为，在不经意间就实现了对光的控制。

这些案例可能太过朴素了，我举一个高级一点的例子：光的本质是电磁波，它有一个基本性质叫作光的偏振（名词解释>），描述了光波的振动方向（如图1所示）。

图1：光的偏振方向示意图（图源：维基共享资源）

不妨设想一个场景：在波涛汹涌的大海上，一艘小船一边艰难地前进，一边上下颠簸。为何船会上下颠簸呢？就是因为水波（与光波类似）存在垂直方向的偏振。光波的不同之处在于其偏振方向可以是任意角度，换句话说，如果未来有一天这艘小船可以驭光而行，那么它就不只会上下颠簸了，还可能会螺旋式颠簸哩！

偏振是一个很有用的性质，通过它可以对光进行调控。例如，计算器的显示就借助了光的偏振：偏振光被阻挡的地方看起来是黑色的，没有被阻挡的地方则较亮（见图2）。

图2：计算器显示利用了光的偏振性质。（图源：维基共享资源）

同样，手机或电脑屏幕显示功能的实现也离不开光学偏振的调控。显示器表面有一层偏振膜，可以将人眼无法识别的偏振光转换为可识别的颜色及图像。如果去掉这个偏振膜，我们就只能看到背景光的白色。

最近，美国加州理工学院的Harry Atwater院士团队及其合作者在三个原子层厚度的黑磷材料中实现了有史以来最精确的光学偏振调控。相关研究发表在Science，题目为“Broadband electro-optic polarization conversion with atomically thin black phosphorus”。

文中的三原子层材料由黑磷构成，它在许多方面与石墨或石墨烯相似，都具有层状结构。但是石墨烯的层是完全平坦的，而黑磷的层存在褶皱，就像灯芯绒布料的纹理（见图3）。

图3：与黑磷结构类似的灯芯绒布料（图源：维基共享资源）

这种特殊的晶体结构使黑磷具有显著的光学各向异性。即偏振光沿着不同方向（即垂直或沿着褶皱）入射时，与黑磷的相互作用也不相同。就好像我们用手沿着灯芯绒纹路和垂直纹路方向滑动会感受到不同的作用力一样。

很多材料都具有光学偏振性，但是仅仅有这个性质还不够。黑磷的独到之处在于它是一种半导体材料，正如由硅制成的微型结构可以控制微芯片中的电流一样，由黑磷制成的结构可以在电信号施加到它们身上时控制光的偏振（见图4）。

图4：三原子层厚的黑磷制成的小元件结构示意图（图源：Science）

如果进一步把这些小元件组成一个阵列，每一个小元件都可以把偏振转换成不同的反射偏振状态，合起来就可以实现显示效果。

与传统的液晶显示器相比，黑磷阵列的“像素”在尺寸上要小20倍，对输入的响应速度却要快100万倍。

我们在网上看电影或阅读文章可能用不到这样的速度，但它还可能会给电信带来一场革命。在电信设备中，光信号通过光纤传输，不同信号之间的相互干扰会限制传输信号的数量。而基于黑磷薄层的电信设备可以调节每个信号的偏振，避免相互干扰，有利于提高光纤电缆数据传输量。

这项技术还可能为基于光的Wi-Fi替代技术奠定基础，该领域的研究人员将其称为Li-Fi（名词解释>），即通过自由空间中的光线实现网络信号的传输。也许在将来的某一天，你悠闲地坐在咖啡厅里，晨曦透过窗户照在你面前的太阳能笔记本电脑上，一边给它供电，一边给它供网……

论文信息：

Biswas et al., Science 374, 448–453 (2021)

DOI：10.1126/science.abj7053

监制 | 赵阳

编辑 | 赵唯

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