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尺度上具有周期性介電結(jié)構(gòu)的人工設計和制造的晶體，其物理思想可類比半導體晶體。通過設計，這類晶體中光場的分布和傳播可以被調(diào)控，從而達到控制光子運動的目的，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，λ_p，相比入射光λ₀來說多可減少三個數(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，美國哥倫比亞大學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neaspec公司的neaSNOM納米高分辨紅外近場成像顯微鏡研究了其近場光導和SPP性，證明了其作為納米光子晶體對SPP傳播的調(diào)控。

      正常機械解理的雙層石墨烯是AB堆疊方式，但是，當把其中的層相對于另層旋轉(zhuǎn)個角度，就會形成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。如果通過門電壓對該雙層石墨烯施加個垂直電場，會在AB疇區(qū)和BA疇區(qū)打開個帶隙，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)則會在疇壁上形成拓撲保護的維邊界態(tài)，如圖例1C。維邊界態(tài)的存在會使得疇壁上光學躍遷更加容易，表現(xiàn)為疇壁上增強的光導能力。研究者通過德國neaspec公司的neaSNOM高分辨率散射式近場紅外光學顯微鏡對樣品進行近場納米光學成像，在近場光學振幅成像中觀察到了轉(zhuǎn)角雙層石墨烯上六重簡并的周期性亮線圖案，成功可視化了這種光導增強的孤子超晶格網(wǎng)絡。從近場光學振幅成像上可以看到孤子超晶格周期長度大約為260nm，據(jù)此，研究者推斷對應的轉(zhuǎn)角大約為0.06°。

圖例1：散射式近場光學顯微鏡（neaSNOM）對轉(zhuǎn)角雙層石墨烯（TGB）進行近場納米光學成像研究的結(jié)果。A：實驗示意圖（AB,BA,和AA表示石墨烯不同堆疊類型）；B：近場納米光學振幅成像及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相匹配，而且之前的研究表明，雙層石墨烯中的孤子對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。接下來研究孤子超晶格對SPP的光子晶體效應，實驗中研究者用neaSNOM近場光學顯微鏡的針尖作為SPP發(fā)射源，并通過改變門電壓和入射光波長改變SPP的波長，在該器件上同時得到了兩組近場光學振幅圖和相位圖(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，近場光學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程中干涉效應的顯現(xiàn)，近場光學振幅圖、相位圖和理論計算結(jié)果顯示出的吻合性。對近場光學成像的傅里葉變換使得研究者可以進入動量空間研究其光子能帶結(jié)構(gòu)，結(jié)合模擬計算，對光子能帶結(jié)構(gòu)的研究表明，雖然孤子對SPP的散射較弱，還不足以形成納米光學帶隙，但是轉(zhuǎn)角雙層石墨烯中SPP的傳播毫無疑問符合納米光子能帶色散行為。

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

      在該項工作中，研究者用轉(zhuǎn)角雙層石墨烯設計實現(xiàn)了石墨烯SPP納米光子晶體，并用德國neaspec散射式近場光學顯微鏡從幾個途徑進行了研究。，疇壁區(qū)域增強的光導響應來源于孤子的維拓撲邊界態(tài)，neaSNOM近場光學顯微鏡以*的分辨率可視化了孤子超晶格網(wǎng)絡。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)）可以通過改變轉(zhuǎn)角角度和靜電場等實現(xiàn)連續(xù)調(diào)控，這可以突破標準top-down或光刻等技術(shù)來構(gòu)筑納米光子晶體的限制和挑戰(zhàn)。在電中性點附近，孤子被預言具有拓撲保護的維等離激元模式，此時，雙層石墨烯納米光子晶體作為維等離激元的二維網(wǎng)絡載體，可能會展現(xiàn)出很有意思的光學現(xiàn)象。

      別值得指出的兩點是：
      1. 即使研究者通過0.06°的超小轉(zhuǎn)角制造了高達260nm的孤子超晶格周期長度，如果沒有neaSNOM近場光學顯微鏡*的空間分辨率（取決于針尖曲率半徑，高可達10nm），清晰地看到孤子超晶格網(wǎng)絡依然是非常困難的。
      2. neaSNOM近場光學顯微鏡具有偽外差相位解調(diào)模塊，可以同時實現(xiàn)高信噪比下的近場光學信號振幅成像和相位成像。該項工作中實驗結(jié)果和模擬計算結(jié)果的吻合很好地證明了這點。
      作為二維材料納米光學域為業(yè)的研究工具，neaspec近場光學顯微鏡已經(jīng)助力和國內(nèi)多個研究機構(gòu)發(fā)表了諸多研究成果。不僅是在納米光學成像域，neaspec開放兼容的設計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、光誘導等多個域均有廣泛應用。