北京大学物理学院刘开辉课题组及其合作者开发了手性椭偏光干涉检测方法，结合透射电镜电子衍射首次实现了对单根原子结构确定的单壁碳纳米管光学复极化率的测量。

目前，硅基互补金属氧化物半导体（CMOS）技术逐渐接近其性能极限，硅基晶体管的运行速度和性能难有突破性进展。因此，寻找能够替代当前硅芯片的材料，成为各国激烈竞争的焦点。在不多的几种候选新型材料中，一维碳纳米管具有优异的结构稳定性、极高的电子迁移率、1 nm 量级的特征尺寸等优点，非常有可能成为下一代半导体技术的主要载体。近年来，科学家在碳纳米管单手性控制、短沟道电学器件、光电器件、柔性器件应用等领域取得了突飞猛进的进步。由于碳纳米管种类繁多，其性质高度依赖于其手性结构，研究结构依赖的碳纳米管的基本物理性质成为碳纳米管应用的关键基础。然而，单根碳纳米管的直径只有1~3 nm，信号非常微弱，使得它的许多基本物理性质依然尚未完全明晰。其中，介质极化率（）是表征光与物质相互作用最基本的光学参数之一，对于理解材料的光电性能及开发其具体应用非常关键。通常，对于传统宏观材料及二维薄膜材料，光学复极化率可以依靠折射或反射过程用椭偏仪来测量。然而，对于一维材料，并没有反射和折射的概念（菲涅尔方程失效）。因此，长久以来，科学家们一直无法测量单根碳纳米管光学复极化率。

图1 手性椭偏光干涉检测装置示意图

针对这一重要基础问题，刘开辉团队通过精确控制左、右旋椭圆偏振光与碳纳米管散射光的干涉，使得在两组干涉光谱中复极化率实部（虚部）贡献相反（相同），从而通过两组光谱定量得到碳纳米管的复极化率（光谱能量范围为1.6~2.7 eV）。另外，他们还展示了在器件衬底上原位测量单根碳纳米管复极化率。这种针对单根碳纳米管的复极化率测量拓展了人们对一维材料基本性质的认识，并且提供了一个新的可检测参数，从而可以监控电荷掺杂、应变、分子吸附等外部调制。该技术有望加速一维纳米材料未来在光子、光电和生物成像等方面的应用。

图2 手性椭偏光干涉检测原理示意图及单根碳纳米管复极化率探测结果

相关研究成果以Measurement of complex optical susceptibility for individual carbon nanotubes by elliptically polarized light excitation为题发表于2018年8月23日的Nature Communications [9: 3387 (2018)]上。刘开辉研究员为该工作的通讯作者。文章的共同第一作者为博士生姚凤蕊和刘灿、本科生陈成。文章的合作者包括北京大学王恩哥院士、张锦教授、高鹏研究员，南方科技大学俞大鹏院士，西北工业大学赵建林教授、肖发俊副教授，中科院物理所白雪冬研究员，美国加州大学伯克利分校王枫教授，日本东京大学 Shigeo Maruyama 教授以及芬兰阿尔托大学孙志培教授等。该工作得到了科技部重点研发计划、基金委相关项目、重大科研装备研制项目、人工微结构和介观物理国家重点实验室、北京大学物理学院和量子材料科学中心等基金和实验室的支持

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-018-05932-9

课题组主页：http://www.phy.pku.edu.cn/~khliu/chs_home.html