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自从年代衍射光学元件的发展以来，研究人员越来越发现光学的复杂基本原理，从而用薄而轻的对等物代替现有的笨重的光学元件。最近的尝试导致了纳米光子超表面，其包含由金属或半导体纳米结构的密集阵列制成的平面光学器件。这样的结构可以基于等离子体共振或米氏共振有效地控制局部光散射相位和振幅。科学家们研究了两种类型的共振，以实现在跨光场上实现多功能和可控制的小尺寸光学器件。尽管这样的超表面功能是静态的，但对于新兴的光子应用，如用于三维(3-D)测绘的光方向和测距(LIDAR)，实现动态控制是非常理想的。质子和米埃谐振只提供了弱的电调谐性，但几十年来的光学调制研究描述了激子操纵对材料光学特性的控制能力更强。

激子在光学波前操纵过程中所起的关键作用尚待了解，并在原子薄的光学元件上得到证明。在现在发表在《NaturePhotonics》上的一项新研究中，乔里克·范·德·格罗普（JorikvandeGroep）和斯坦福大学以及中佛罗里达大学的光学与光子学院的材料研究人员团队设计了一种原子厚的光学受控元件。他们直接从单层二硫化钨（WS2）中雕刻出了基体。该材料在可见光谱范围内显示出强烈的激子共振。该团队没有采用通常的方法来设计几何谐振天线的尺寸和形状，而是通过修改材料的谐振来设计由二维（2-D）激子材料制成的超表面。通过优化二维材料的排列，他们实现了特定的光学功能，实现了共振和可调的光-物质相互作用。

为了强调激子共振在平面透镜操作中的重要性，该团队将WS2的环形材料看成是散射场的源头，由入射平面波驱动。局部产生的散射场与WS2材料的极化成正比，科学家预计激子共振附近的散射最强，在激子共振处，复数电化率（表示为x）的大小最大。实验装置使用高质量的剥落材料实现了更高的聚焦效率，其中激子线宽明显降低。

尽管该透镜对于非谐振波长几乎是人眼看不见的，但它可以从周围环境捕获重要信息，以使焦点的强度大大超过入射平面波的强度。聚焦效率的光谱依赖性取决于WS2单层的复杂材料敏感性。科学家无法通过实验隔离散射场，但是他们从大面积收集了微弱的散射光，以确定实验区带的聚焦强度很高，并且主要基于WS2材料。

该团队通过使用电子门控改变WS2材料的激子共振来控制透镜的聚焦效率。为此，他们分析了与单层WS2隔离的简单20x20m2正方形贴片引起的反射率变化，该变化是所施加栅极电压的函数。他们观察到完全消除了激子共振，从而产生了最大的磁化率变化之一。这种激子抑制也是完全可逆的和高度可再现的。这些观察结果突出了激子共振与等离子共振和米氏共振相比的好处，而等离子共振和米氏共振都难以调节和抑制。

然后，研究人员利用激子共振的大可调谐性来控制透镜焦斑的强度。他们通过实验测量了焦点的功率，该功率是归一化为入射到波带片透镜上的功率的波长的函数，以了解聚焦效率谱。结果表明聚焦的激子光散射主导了衬底的直接透射。当研究小组在WS2/石墨烯异质结构上施加3伏栅极偏压以抑制激子共振时，他们发现完全抑制了不对称激子线。然后，通过使用激子共振的可逆切换，他们恢复了中性共振状态。

结果与在贴片设备的反射测量中观察到的线宽变窄是一致的。由于商业WS2的材料质量相对较低，因此测得的聚焦效率相对较低且受限制。例如，高质量的小鳞片二硒化钼（MOSe2）的封装单分子层可以实现高达80％的光反射率。因此，科学家可以改善诸如WS2之类的高质量单层过渡金属二硫化碳（TMDC）的大面积生长，从而大大提高聚焦效率。

该研究小组在室温下对激子共振进行了大面积主动控制，以证明在二维材料带状平板透镜焦点上的动态光强度控制。它们可重现在激子支配状态和激子猝灭状态之间切换，以实现对激子光散射幅度的主动控制。装置中的响应时间和不对称性是由于离子传输受限的复合物形成以及离子液体双电层的分解所致。结果，科学家们建议采用固态门控方案，而不是离子液体门控，以将设备响应时间增加几个数量级，目前由于制造挑战而受到限制。

这样，JorikvandeGroep及其同事证明了激子材料共振对于操作原子薄光学镜片的重要性。他们设想，具有局部和交错门控电极的更先进的门控方案将有助于具有更复杂功能（例如可调焦距或光束转向）的激子光学器件。这项工作为设计动态平面光学器件和超表面提供了一种全新的方法，可用于自由空间光束拍击，波前操纵以及增强/虚拟现实中。

论文标题为《Excitonresonancetuningofanatomicallythinlens》。