近日，电子科技大学物理学院杨元杰教授团队与合作者通过类比光子晶体结构，在单层各向异性双曲二维材料α-MoO3进行精确的纳米级光学设计，让极化激元在片上被“约束”形成稳定的拓扑结构，从而实现极化激元的极端亚波长局域，被称之为极化激元晶体（如图1所示），该结果以“Tailoring Phonon Polaritons with a Single-Layer Photonics-Empowered Polaritonic Crystal”为题，发表在Nano Letters上。电子科技大学博士生吕浩然为第一作者，杨元杰教授、张庆副教授、澳门科技大学欧清东教授、新加坡国立大学仇成伟教授为共同通讯作者。电子科技大学为论文第一完成单位，该研究得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划等项目资助。
图1 双曲极化激元晶体光场局域及近场高分辨成像探测
长期以来，在平面内操控光子，从而开发高速低耗的光子芯片以及片上光子电路一直是半导体领域和纳米光子学界的强烈追求。其中需要解决的关键问题在于：①如何克服光学衍射极限；②如何在二维平面内有效的束缚光子；③如何在面内对束缚的光子进行稳健传输操控。近年来，以石墨烯为代表的二维层状范德瓦尔斯（vdW）材料，支持多种类型的光与物质（电子、声子、激子）耦合激发，可以将光子束缚在二维平面内传播，被统称为vdW极化激元。相比于传统金属表面等离激元，vdW极化激元表现出超长寿命、低损耗和纳米尺度的光场限域能力，因此可以跨数量级的突破衍射极限（λ0/a>50, a为结构尺寸），有望实现极端亚波长尺度的片上光电子器件。然而正是由于其极端的亚波长传播特性，对其片上定制化“约束”仍是一个挑战和难题。
双曲极化激元晶体设计思路
光子晶体：人造周期结构，结构单元约在半波长量级（λ/a~2），通过类比晶体材料中电子的布拉格衍射可以在纳米尺度上压缩和控制光，由于周期性纳米结构的按需人工工程，为光操纵和应用提供了前所未有的机会。
图2 双曲极化激元晶体结构示意图及角度依赖的能带结构
双曲极化激元晶体：极化激元为“光子和准粒子”的耦合激发，因此与控制平面内各向同性材料中的光子晶体结构不同。例如，本工作α-MoO3中的双曲声子极化激元（PhPs），由于材料的极端各向异性，其支持的PhPs具有长寿命、射线传播、低损耗和强场约束的特性，其波长可被压缩至入射光波长的几十分之一。然而正是因为双曲PhPs特异的传播特性及极度波长压缩，纳米结构和PhPs的相互作用以及约束方式在很大程度上是未知的和多样化的，并且仍然需要以清晰和明确的方式揭示。本工作中，研究人员率先在单层α-MoO3中设计三角形纳米孔阵列极化激元晶体结构（如图2所示），波长压缩比相较于传统光子晶体提升一个数量级（λ/a~35）。其次，更为有趣的是，由于α-MoO3的面内各项异性，通过旋转晶格与材料光学轴的夹角（θ），可动态调节PhPs的能带结构，当θ从0°增至30°时，能带有从开放转为闭合的变化。因此，上述双曲极化激元晶体，通过晶格对称性和材料各向异性的相互作用为重新配置PhPs提供了前所未有的机会，如图3所示，通过控制旋转角度实现亚波长缺陷谐振腔内PhPs从局域化到非局域化的转变。
极端亚波长谐振腔：极化激元共振模式近场成像
传统光子晶体模式大多处于光锥（light cone）以上，因此可以耦合到自由空间进行远场测量。然而，双曲极化激元波长极度压缩，模式处于光锥以下，常规的角分辨光谱以及成像技术很难捕捉其物理特性及传播行为。研究团队利用高分辨（分辨率~10nm）的红外纳米成像技术（s-SNOM），通过近场实空间成像直接观测了双曲极化激元晶体在缺陷腔中的PhPs局域模式。如图3所示，极化激元分别被束缚在了一维和二维的极化激元光子晶体缺陷当中。同时，通过旋转θ，实现了PhPs局域与非局域的操控，例如当θ=30°时，一维线缺陷腔中出现强烈的局域模式。图3右侧展示了旋转PoCs中的二维光场局域模式随角度的变化，光场压缩能力较传统光子晶体提升两个数量级，PoCs腔模式可以在比衍射极限小约10在倍的超小体积内维持，模式体积的强约束可以很容易实现中红外高灵敏度传感的强耦合状态。
图3 不同角度下一维/二维极化激元晶体谐振腔中PhPs局域模式近场成像
通过旋转极化晶体调控声子极化激元，研究团队不仅揭示了材料各向异性与周期性结构的相互作用机制，更实现了光场的深度局域化与高效操控。这项研究为构建紧凑型极化激元腔以增强红外光与物质的相互作用应用，以及在纳米尺度上控制光流提供了有前景的途径。未来，随着材料制备与纳米加工技术的进步，这项设计在中红外波段紧凑型光子器件方面有广阔的发展前景。
论文信息
Haoran Lv, et al., Tailoring Phonon Polaritons with a Single-Layer Photonics-Empowered Polaritonic Crystal, Nano Letters 25, 4946 (2025)
https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.5c00281
