近日，数理学院硕士生成艳同学在国际知名学术期刊《Laser & Photonics Reviews》（IF=11.2，中科院和JCR分区均为1区）上发表题为“Hybrid Plasmonic Waveguides with Tunable ENZ Phenomenon Supported by 3D Dirac Semimetals”的文章。基于半椭圆纤维-三维狄拉克半金属-金衬底多层结构中的介电常数近似为零(epsilon-near-zero，ENZ)效应，文章研究分析了混合模式结构在中红外波段的可调节传播特性。上海师范大学为论文的第一单位，数理学院2021级硕士生成艳同学为第一作者，何晓勇老师为通讯作者。文章链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1002/lpor.202400167。

图1. 基于三维狄拉克半金属的中红外波可调谐混合模式结构示意图。

图2不同温度下3D DSM介电常数的实部（a）和虚部（b），（c）传播长度，（d）归一化有效模式面积。3D DSM层的费米能级为0.12 eV。

与石墨烯类似，三维狄拉克半金属（3D Dirac Semimetals, 3D DSM）具有载流子迁移率大、费米速度高和光电特性易于调节的优势，很适合研制高性能的调控器件。ENZ（epsilon-near-zero）效应是指在一个或多个频率附近介电常数接近于零的一种有趣的光学现象，具有相速度接近无限大、电场局域增强和非线性响应强等优点。在中红外波段带间跃迁的贡献起到重要作用，导致3D DSM在转变频率(ℏω≈2μ_c)附近的介电常数近似为零，并且ENZ区域随着温度和费米能级改变可以灵活调节。

基于3D DSM中的ENZ现象，研究团队在SiO₂-DSM-Au多层混合模式结构基础上，通过改变温度、结构参数和费米能级实现了对中红外波的有效调节。研究表明当温度小于室温时，混合模式的传播长度在ENZ区域出现明显的突变，如在77 K时的突变比(最大值与最小值的比值)超过200。通过在0.08 ~ 0.15 eV范围内调节费米能级，传播长度的突变可以在3.81~45.3范围内调节，同时ENZ区域最大值的对应频率从27.9 THz增大到35.5 THz，发生了明显的蓝移现象。上述研究内容对于了解三维狄拉克半金属调控器件的物理机制、开展新型高性能表面等离子激元功能器件，如低阈值激光器、高品质因子调制器和高品质因子滤波器，提供了新的思路方法。

本研究获得上海市自然科学基金、上海地方高校能力建设项目和上海师范大学校级项目的支持。

供稿、摄影：数理学院