第一作者：武英杰，欧清东
通讯作者：刘关玉，李向平，鲍桥梁
单位：澳大利亚蒙纳士大学，暨南大学
近日，澳大利亚蒙纳士大学鲍桥梁教授领导的国际团队在声子极化激元研究方面取得重要进展，其最新研究成果“Chemical switching of low-loss phonon polaritons in α-MoO3 by hydrogen intercalation”在Nature Communications杂志（IF=12.19）发表。蒙纳士大学材料科学与工程系的在读博士生武英杰和博士后欧清东博士是论文的共同第一作者，澳大利亚蒙纳士大学鲍桥梁教授及暨南大学李向平教授、刘关玉博士为该论文共同通讯作者。
声子极化激元是在入射光的频率和晶格的振荡频率一致时，光和晶格共同的作用衍生出的另外一种电磁波，是由光子和声子耦合形成的准粒子。声子极化激元损耗低、寿命长并且振动波长往往可以远远小于激发光的波长，在光传输、电光调制、超透镜和分子探测等领域具有广泛应用。声子极化激元的应用通常需要通过改变外在因素（如应力、温度、外部介电常数等）控制极化激元的特性。由于极性晶体都是具有较宽的带隙，通过类似于等离子极化激元的电控方式来控制声子极化激元效果不明显。为了更好地利用这些新颖的声子激元，如何实现有效的操控是目前面临的一大挑战。
图一 散射式扫描近场光学显微镜测试系统；声子极化激元在α相三氧化钼氢化前、氢化后和脱氢后的近场图像；化学过程对声子极化激元的纳米光学特性的影响。
有鉴于此，澳大利亚蒙纳士大学鲍桥梁教授团队与暨南大学李向平教授研究组合作报道了一种通过化学过程(氢化)精确调控晶体结构实现纳米级厚α相三氧化钼（α-MoO3）的声子极化激元开关控制的方案。
与改变外部介电常数不同，该方案的氢化方法是直接作用于极化材料本身，使得α相三氧化钼的晶格重新排列形成I型氢钼化合物HxMoO3（0.2<0.4），引起声子振荡扰动和声子极化激元传播的可控消减。
最有趣的是经过脱氢处理后，晶体结构可以完全恢复到其原始状态，并且不会对晶体造成损害，从而实现低损耗声子极化激元的化学可逆开关（如图一b）。通过精确控制插层参数，我们对不同插层阶段的样品进行扫描测试，观测到了定向的氢化中间态纳米结构（相当于面内天线）可以有效地激发与反射声子激元。
图二 氢化插层方法与纳米光刻技术的结合实现声子极化激元的面内空间分布控制。
此外，为了进一步证明所提出的化学调控声子激元的实用性，我们通过纳米光刻技术在a-MoO3薄片表面制作多种形貌图案，并在氢化处理后，成功实现了声子激元开关的空间选择性（如图二所示）。这为今后批量制备具有不同构型的面内异质结和声子激元共振阵列提供了一种可行性方案。总而言之，插层策略为我们打开了一条连接红外纳米光子学，可重构超表面以及范德瓦尔斯材料的新的通道！
文章链接:
https://www.nature.com/articles/s41467-020-16459-3
作者简介:
武英杰，蒙纳士大学材料系在读博士，本硕毕业于同济大学，目前从事二维氧化物合成、改性及声子极化激元相关研究。已发表论文约10篇。
欧清东2019年获澳大利亚蒙纳士大学博士学位，现于蒙纳士大学从事博士后研究，主要致力于纳米材料的光电性能研究及其在光电器件中的应用，在Nature，Nature Communications，Advanced Materials等期刊发表论文50余篇。
刘关玉 2019年获北京大学博士学位，现于暨南大学从事博士后研究，主要致力于基于二维材料光电性质及锁模激光器等方面研究，在Nature Communications，Optics Express, Photonics Technology Letters等期刊发表论文10余篇。
李向平2015年受聘暨南大学光子技术研究院，入选中组部青年千人计划，同年获批国家基金委优青项目资助，2017年获批广东省珠江人才计划“创新团队海外英才”团队项目资助。长期致力于大容量光存储、纳米光学及超材料等方向的研究，在Science, Nature Photonics, Nature Communications, Light Science & Applications, Nano Letters等国内外权威期刊上发表高质量论文90余篇。
鲍桥梁 2016年受聘为蒙纳士大学材料科学与工程系终身制副教授，入选澳大利亚科研委员会“未来研究员”奖励计划。致力于研究石墨烯光子学和光电子器件，以及受限空间的光与物质相互作用与极化激元（等离子体极化激元、激子极化激元和声子极化激元等），研究工作曾入选“2018中国光学十大进展（基础研究类）”。已在Nature，Nature Materials, Nature Photonics, Nature Chemistry等期刊发表论文200余篇, 2018年和2019年Clarivate Analytics高被引学者。
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