由蘇州大學(xué)功能納米與軟物質(zhì)研究院為第一署名單位撰寫的論文在 2018年 10月24日出版的《Nature》雜志上發(fā)表（DOI: 10.1038/s41586-018-0618-9）。該工作主要介紹研究了面內(nèi)各向異性和超低損耗聲子極化激元研究中取得的重要成果（如圖1），該研究發(fā)現(xiàn)被壓縮的納米光場在天然的各向異性二維材料α相三氧化鉬中的傳播具有各向異性，并且具有超長的壽命，為構(gòu)建新型平面光學(xué)器件以實現(xiàn)低損耗的信號處理和光熱能量控制，以及高靈敏的生物化學(xué)傳感等開辟了新的通道。

圖1. 各向異性聲子極化激元在二維材料α相三氧化鉬表面?zhèn)鞑ナ疽鈭D

未來的信息和通訊技術(shù)不僅僅依賴于對電子的操控，而且還得借助納米尺度下對光的調(diào)制。多年來，將光壓縮到很小的尺度并進(jìn)行操控和調(diào)制一直是納米光子學(xué)的核心課題。目前，一種比較成功而有效的途徑是通過將光與物質(zhì)中震蕩分布的電荷耦合形成極化激元。

固體（晶體）中包含了大量原子，晶體中的原子按照一定的規(guī)律排列，但是這些原子并不是靜止不動的，他們會在平衡位置處不斷進(jìn)行振動，同時每個原子的振動都要牽動周圍的原子，使振動以彈性波的形式在晶體中傳播，如果個體相互之間的運動有規(guī)律則會呈現(xiàn)類似波浪的效果。而攜帶傳輸彈性波能量的量子化的最小單元就是聲子，因此往往用聲子的行為來描述晶體中的簡諧振動。當(dāng)光照射到晶體上時，如果入射光的頻率和晶格的振蕩頻率一致，那么光和晶格共同的作用就會衍生出另外一種波（粒子），這種由光子和聲子耦合形成的新的準(zhǔn)粒子就是聲子極化激元。作為一種光聲耦合的準(zhǔn)粒子，極化激元的振動波長往往可以遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于激發(fā)光的波長（低于二分之一個波長），從而可以實現(xiàn)在亞波長的尺寸對電磁波進(jìn)行調(diào)制。而在光學(xué)中，這種將光局域化實現(xiàn)微觀調(diào)控的能力在基礎(chǔ)光學(xué)研究中具有重要的意義，可以產(chǎn)生很多新的光學(xué)現(xiàn)象比如負(fù)折射、超透鏡的實際應(yīng)用，如等離激元型波導(dǎo)，增強自發(fā)輻射效率等等。

而電磁波在介質(zhì)中傳播時，通常用介電常數(shù)來描述其光學(xué)效應(yīng)，而在三維體系中，介電常數(shù)往往是張量, 當(dāng)介質(zhì)具有各項異性時，往往介電常數(shù)的成分也會有差異，造成電磁波在該介質(zhì)中不均勻的傳播，而這種不均勻的特性往往會帶來許多獨特的性質(zhì)例如負(fù)折射，超透鏡等效應(yīng)。當(dāng)各軸向的介電常數(shù)的符號發(fā)生差異時，往往其描述光電響應(yīng)的動量空間是一個開口的雙曲面，這表明這種介質(zhì)中可以支持傳播的電磁波具有極大的動量，極小的波長，而這些特殊的介質(zhì)被稱作雙曲型介質(zhì)，因為其最獨特的光學(xué)特性被廣泛設(shè)計，普遍通過人工超結(jié)構(gòu)實現(xiàn)。近年來，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)能夠?qū)?a target="_blank">紅外光壓縮耦合到二維材料如石墨烯和六方氮化硼中從而形成表面等離子極化激元或聲子極化激元。盡管這些極化激元展現(xiàn)出許多優(yōu)異的性質(zhì)，這些已知的極化激元總是在二維材料表面向四周輻射沿所有方向傳播.最近，物理學(xué)家們預(yù)言了極化激元各向異性的傳播行為，支持這種光學(xué)行為的材料包括人工超結(jié)構(gòu)材料以及晶體結(jié)構(gòu)和電子性質(zhì)呈現(xiàn)各向異性的二維材料。在這種各向異性的傳播中，極化激元的群速率和波長與傳播方向密切相關(guān)。充分利用這個性質(zhì)，可以期望實現(xiàn)傳播方向可控的極化激元，實現(xiàn)能量在二維平面的定向局域，相對地減少了傳播在介質(zhì)中的熱耗散，從而在未來的傳感、通訊方面可以大展拳腳。

尋找損耗更低、可以多元化調(diào)制的極化激元材料，多年來一直是微納米光子學(xué)領(lǐng)域的重點研究方向之一。人工超構(gòu)材料被認(rèn)為是實現(xiàn)功能性光調(diào)制的最佳媒介之一，然而因為微納加工的復(fù)雜性、高系統(tǒng)損耗和難以微型化等限制因素，制約了其進(jìn)一步應(yīng)用。在本次的介紹的工作中，作者在α相三氧化鉬納米薄片中得到聲子極化激元傳播的近場光學(xué)圖象（圖2），可以發(fā)現(xiàn)該材料中極化激元只沿著特定的方向傳播，而且極化激元的波長隨樣品厚度的變化而改變，最短的波長比激發(fā)光波長小60倍。并且這種各項異性的極化激元還會隨著入射光的波長的變化而呈現(xiàn)出不同的傳播行為。具體表現(xiàn)為，沿著晶體的不同方向，極化激元的傳輸是非勻速（橢圓型）甚至可以實現(xiàn)單向截止型（雙曲型）傳輸。這種存在于天然二維材料中的方向及波形可調(diào)的極化激元雖在理論中被預(yù)言過，此前實驗上從未被證實和被觀測到。

圖2. a. 使用散射型近場光學(xué)顯微鏡進(jìn)行極化激元測試的示意圖。b.兩種不同激發(fā)波長下得到的近場光學(xué)顯微鏡幅度圖像。

圖3：α相三氧化鉬圓盤中橢圓型（左上）和雙曲型（右上）兩種聲子極化激元的近場光學(xué)幅度圖像和絕對值的傅立葉變換結(jié)果（下面兩組子圖）。

在此次發(fā)表的論文中，在實空間中系統(tǒng)研究了天然層狀材料α相三氧化鉬中橢圓型和雙曲型兩種新型聲子極化激元的各向異性傳輸特性（如圖3）。α相三氧化鉬的晶格結(jié)構(gòu)具有獨特的面內(nèi)各向異性，其[001]晶向和[100]晶向的原子層間距的差異高達(dá)7.2%。紅外光譜學(xué)測試發(fā)現(xiàn)，α相三氧化鉬在800-1000波數(shù)范圍內(nèi)存在兩個剩余射線帶，聲子極化激元的傳播行為在兩個剩余射線帶內(nèi)表現(xiàn)出迥然不同的性質(zhì)。在低剩余射線帶內(nèi)，α相三氧化鉬可以在中紅外光激發(fā)下產(chǎn)生雙曲型聲子極化激元，也就是說聲子極化激元僅沿著一個方向傳播(即[001]方向)，而在另一個晶向（[100]方向）的傳播完全被抑制。在高剩余射線帶內(nèi)，α相三氧化鉬可以在中紅外光激發(fā)下產(chǎn)生橢圓型聲子極化激元，即聲子極化激元在[001]晶向和[100]晶向具有不同的波長。特別引人注意的是，這種新型的各向異性聲子極化激元具有非常低的傳輸損耗，室溫測量其傳播壽命高達(dá)8 ±1 ps （在某些樣品中測試得到的最長壽命甚至超過20 ps），是低溫測試的石墨烯各向同性等離子極化激元最長壽命的10倍，是室溫測試的六方氮化硼各向同性聲子極化激元最長壽命的4倍以上。

該工作的重要意義在于首次成功地實驗揭示了在天然材料的平面內(nèi)各項異性傳播的極化激元，并且建立了兩種各向異性極化激元的理論模型。這種各向異性極化激元為不斷增長的范德華爾斯層狀材料極化激元大家庭增加了獨特的一員。與外部物理因素如應(yīng)力、電場柵壓調(diào)控和光注入載流子等結(jié)合，有望可以實現(xiàn)各向異性聲子極化激元的動態(tài)調(diào)控，從而為在納米尺度定向控制光傳輸和光-物質(zhì)相互作用提供了一個嶄新的途徑。