光子晶體又稱光子禁帶材料。從結(jié)構(gòu)上看，光子晶體是類在光學(xué)尺度上具有周期性介電結(jié)構(gòu)的人工設(shè)計(jì)和制造的晶體，其物理思想可類比半導(dǎo)體晶體。通過(guò)設(shè)計(jì)，這類晶體中光場(chǎng)的分布和傳播可以被調(diào)控，從而達(dá)到控制光子運(yùn)動(dòng)的目的，并使得某頻率范圍的光子不能在其中傳播，形成光子帶隙。

      光子晶體中介質(zhì)折射率的周期性結(jié)構(gòu)不僅能在光子色散能帶中誘發(fā)形成完整的光子帶隙，而且在定條件下還可以產(chǎn)生維（1D）手性邊界態(tài)或具有Dirac（或Weyl）準(zhǔn)粒子行為的奇異光子色散能帶。原則上，光子晶體的概念也適用于控制“納米光”的傳播。該“納米光”指的是限域在導(dǎo)電介質(zhì)表面的光子和電子的種耦合電磁振蕩行為，即表面等離子體激元（SPPs）。該SPP的波長(zhǎng)，λ_p，相比入射光λ₀來(lái)說(shuō)多可減少三個(gè)數(shù)量。如果要想構(gòu)筑納米光子晶體，我們需要在λ_p尺度上實(shí)現(xiàn)周期性介電結(jié)構(gòu)，傳統(tǒng)方法中采用top-down技術(shù)來(lái)構(gòu)建納米光子晶體，該方法在加工和制造方面具有較大的限制和挑戰(zhàn)。

      2018年12月，美國(guó)哥倫比亞大學(xué)D.N. Basov教授在Science上發(fā)表了題為Photonic crystals for nano-light in moiré graphene superlattices的全文文章。研究者用存在于轉(zhuǎn)角雙層石墨烯結(jié)構(gòu)（twisted bilayer grapheme, TBG）中的莫爾（moiré）超晶格結(jié)構(gòu)，成功構(gòu)筑了納米光子晶體，并用德國(guó)neaspec公司的neaSNOM納米高分辨紅外近場(chǎng)成像顯微鏡研究了其近場(chǎng)光導(dǎo)和SPP性，證明了其作為納米光子晶體對(duì)SPP傳播的調(diào)控。

      正常機(jī)械解理的雙層石墨烯是AB堆疊方式，但是，當(dāng)把其中的層相對(duì)于另層旋轉(zhuǎn)個(gè)角度，就會(huì)形成AB和BA堆疊方式相間排列的莫爾超晶格結(jié)構(gòu)，AB疇區(qū)和BA疇區(qū)之間是AA堆疊方式的疇壁，如圖例1A所示。如果通過(guò)門(mén)電壓對(duì)該雙層石墨烯施加個(gè)垂直電場(chǎng)，會(huì)在AB疇區(qū)和BA疇區(qū)打開(kāi)個(gè)帶隙，從AB疇區(qū)到BA疇區(qū)堆疊次序的反轉(zhuǎn)連同能帶結(jié)構(gòu)的反轉(zhuǎn)則會(huì)在疇壁上形成拓?fù)浔Ｗo(hù)的維邊界態(tài)，如圖例1C。維邊界態(tài)的存在會(huì)使得疇壁上光學(xué)躍遷更加容易，表現(xiàn)為疇壁上增強(qiáng)的光導(dǎo)能力。研究者通過(guò)德國(guó)neaspec公司的neaSNOM高分辨率散射式近場(chǎng)紅外光學(xué)顯微鏡對(duì)樣品進(jìn)行近場(chǎng)納米光學(xué)成像，在近場(chǎng)光學(xué)振幅成像中觀察到了轉(zhuǎn)角雙層石墨烯上六重簡(jiǎn)并的周期性亮線圖案，成功可視化了這種光導(dǎo)增強(qiáng)的孤子超晶格網(wǎng)絡(luò)。從近場(chǎng)光學(xué)振幅成像上可以看到孤子超晶格周期長(zhǎng)度大約為260nm，據(jù)此，研究者推斷對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)角大約為0.06°。

圖例1：散射式近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡（neaSNOM）對(duì)轉(zhuǎn)角雙層石墨烯（TGB）進(jìn)行近場(chǎng)納米光學(xué)成像研究的結(jié)果。A：實(shí)驗(yàn)示意圖（AB,BA,和AA表示石墨烯不同堆疊類型）；B：近場(chǎng)納米光學(xué)振幅成像及TEM圖；C:疇壁上電子能帶結(jié)構(gòu)。

      不僅孤子超晶格的周期性和等離激元的波長(zhǎng)相匹配，而且之前的研究表明，雙層石墨烯中的孤子對(duì)SPP具有散射行為，轉(zhuǎn)角雙層石墨烯中規(guī)律的孤子結(jié)構(gòu)所形成的周期性散射源恰好滿足了作為納米光子晶體的條件。接下來(lái)研究孤子超晶格對(duì)SPP的光子晶體效應(yīng)，實(shí)驗(yàn)中研究者用neaSNOM近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡的針尖作為SPP發(fā)射源，并通過(guò)改變門(mén)電壓和入射光波長(zhǎng)改變SPP的波長(zhǎng)，在該器件上同時(shí)得到了兩組近場(chǎng)光學(xué)振幅圖和相位圖(如圖例2B和2C)。從圖中可以看到，λ_p=135 nm和λ_p=282 nm的情況下，近場(chǎng)光學(xué)振幅圖和相位圖表現(xiàn)出截然不同的周期性明暗圖案，這種周期性明暗分布正是SPP在孤子超晶格傳播過(guò)程中干涉效應(yīng)的顯現(xiàn)，近場(chǎng)光學(xué)振幅圖、相位圖和理論計(jì)算結(jié)果顯示出的吻合性。對(duì)近場(chǎng)光學(xué)成像的傅里葉變換使得研究者可以進(jìn)入動(dòng)量空間研究其光子能帶結(jié)構(gòu)，結(jié)合模擬計(jì)算，對(duì)光子能帶結(jié)構(gòu)的研究表明，雖然孤子對(duì)SPP的散射較弱，還不足以形成納米光學(xué)帶隙，但是轉(zhuǎn)角雙層石墨烯中SPP的傳播毫無(wú)疑問(wèn)符合納米光子能帶色散行為。

圖例2：散射式近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡（neaSNOM）研究石墨烯超晶格中等離激元（SPP）傳播近場(chǎng)光學(xué)成像結(jié)果。A,C：通過(guò)改變門(mén)電壓和入射光波長(zhǎng)，λ_p分別為135nm和282nm下近場(chǎng)光學(xué)成像結(jié)果（同時(shí)獲得近場(chǎng)光學(xué)振幅成像和相位成像）；B,D：模擬計(jì)算結(jié)果。

      在該項(xiàng)工作中，研究者用轉(zhuǎn)角雙層石墨烯設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了石墨烯SPP納米光子晶體，并用德國(guó)neaspec散射式近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡從幾個(gè)途徑進(jìn)行了研究。，疇壁區(qū)域增強(qiáng)的光導(dǎo)響應(yīng)來(lái)源于孤子的維拓?fù)溥吔鐟B(tài)，neaSNOM近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡以*的分辨率可視化了孤子超晶格網(wǎng)絡(luò)。其次，雙層石墨烯納米光子晶體的主要參數(shù)（周期性、能帶結(jié)構(gòu)）可以通過(guò)改變轉(zhuǎn)角角度和靜電場(chǎng)等實(shí)現(xiàn)連續(xù)調(diào)控，這可以突破標(biāo)準(zhǔn)top-down或光刻等技術(shù)來(lái)構(gòu)筑納米光子晶體的限制和挑戰(zhàn)。在電中性點(diǎn)附近，孤子被預(yù)言具有拓?fù)浔Ｗo(hù)的維等離激元模式，此時(shí)，雙層石墨烯納米光子晶體作為維等離激元的二維網(wǎng)絡(luò)載體，可能會(huì)展現(xiàn)出很有意思的光學(xué)現(xiàn)象。

      別值得指出的兩點(diǎn)是：
      1. 即使研究者通過(guò)0.06°的超小轉(zhuǎn)角制造了高達(dá)260nm的孤子超晶格周期長(zhǎng)度，如果沒(méi)有neaSNOM近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡*的空間分辨率（取決于針尖曲率半徑，高可達(dá)10nm），清晰地看到孤子超晶格網(wǎng)絡(luò)依然是非常困難的。
      2. neaSNOM近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡具有偽外差相位解調(diào)模塊，可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)高信噪比下的近場(chǎng)光學(xué)信號(hào)振幅成像和相位成像。該項(xiàng)工作中實(shí)驗(yàn)結(jié)果和模擬計(jì)算結(jié)果的吻合很好地證明了這點(diǎn)。
      作為二維材料納米光學(xué)域?yàn)闃I(yè)的研究工具，neaspec近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡已經(jīng)助力和國(guó)內(nèi)多個(gè)研究機(jī)構(gòu)發(fā)表了諸多研究成果。不僅是在納米光學(xué)成像域，neaspec開(kāi)放兼容的設(shè)計(jì)使得它在納米傅里葉紅外光譜（nano-FTIR）、太赫茲（THz）、拉曼、熒光、超快、光誘導(dǎo)等多個(gè)域均有廣泛應(yīng)用。