第一作者：姚佰承, 黃書偉, 劉淵, Abhinav Kumar Vinod.
通訊作者：Chee Wei Wong, 段鑲鋒, 姚佰承,黃書偉
通訊單位：加州大學洛杉磯分校（美國）、電子科技大學
研究亮點：
1. 通過諧構建單晶石墨烯-氮化硅異質結，實現了光頻梳的大范圍可調。
2. 展示了豐富的多孤子態輸出。
光頻率梳被稱為“萬能時鐘”，由T.Hanesch等人提出，并于2005年獲得諾貝爾物理學獎。光頻率梳以不連續的等間隔頻率發射光脈沖，是現代頻率計量學、精密光譜學、天文觀測、超快光學和量子信息的基石。問題在于：無論是在微腔還是光纖腔中，諧振腔一旦形成，往往難以通過電場調諧，極大地限制了其應用。
石墨烯由于具有出色的費米-狄拉克可調性和超快的載流子遷移率，其光導性可通過柵極電壓調整，因此有著復雜的光學色散性，能夠極大地促進光電子（如調制器、光電探測器和可控等離子體激元）的發展。
有鑒于此，加州大學洛杉磯分校Chee WeiWong、段鑲鋒、姚佰承、黃書偉團隊通過構建石墨烯異質結實現了諧振腔的色散操控，展示了石墨烯-氮化硅光頻率梳的腔內柵極可調諧性。
值得一提的是，本文共同第一作者兼共同通訊姚佰承現為電子科技大學副教授，電子科技大學作為第二單位和共同通訊單位之一，實現了Nature零的突破！另外，本文另一共同第一作者劉淵現為湖南大學教授，這是劉淵今年發表的第二篇Nature。
圖1. 柵極可調的石墨烯-氮化硅異質結微腔的概念設計和實現
研究人員可保持石墨烯基頻梳中腔體品質因數高達106，在單電壓控制下，實施雙層離子凝膠晶體管，以調節石墨烯在0.45-0.65電子伏特范圍內的費米能級。在一個單一的微腔中，用它來產生電荷可調的從2.3太赫茲到7.2太赫茲的主梳線、相干克爾頻率梳、可控的切倫科夫輻射和可控的孤子態。
研究表明，石墨烯的β2可通過柵極電壓從異常到正常色散、又回到異常狀態進行調整，這對非線性的相位匹配可調性非常重要，從而能夠在石墨烯基微諧振器（GMR）中產生寬而可調的頻率梳，其重頻從90GHz覆蓋到1.3THz，可同時輸出數個光譜信號，
圖2. 柵極可調的石墨烯微環諧振器
在約1600 nm的工作光譜范圍中，石墨烯線性吸收受到泡利阻塞的強烈抑制，因此GMR的負載因子Q從約6×105增加到106，使得在1-W下產生頻梳，這對于保護單層石墨烯免受損害并穩定梳狀頻率非常重要。此外，群速度色散調諧主要來源于石墨烯的狄拉克費米動力學，離子凝膠中的離子傳輸和熱效應的影響較小。
通過VG調諧，濾波器窗口內的輸出梳狀線強度在時間上得到調制。調制速度受到異質結構中的離子擴散、石墨烯上的大離子凝膠電容和光學濾波器帶寬的限制。
圖3. 對柵極可調石墨烯克爾頻率梳的觀測
圖4 柵控石墨烯氮化物微諧振器的孤子晶體
總之，這項研究結合單原子層納米技術和超快光電子學的非均相石墨烯微腔，實現了石墨烯-氮化物非均相微諧振器可通過柵極電壓和費米能級進行調諧，為孤子物理學研究提供一個新的平臺。
參考文獻：
Baicheng Yao, Shu-Wei Huang, Yuan Liu,Abhinav Kumar Vinod, Xiangfeng Duan, Chee Wei Wong et al. Gate-tunablefrequency combs in graphene–nitride microresonators. Nature 2018.
