麥姆斯咨詢獲悉，近日，南開大學物理科學學院/泰達應用物理研究院許京軍教授、蔡衛(wèi)教授、羅維維副教授研究團隊，在中紅外等離激元的調(diào)控機理與近場光學表征方面取得系列重要進展，相關成果分別發(fā)表于Science Advances和Nature Communications。
中紅外波段涵蓋物質(zhì)結(jié)構(gòu)表征、分子識別、熱輻射調(diào)控及空間通信等一系列關鍵物理過程，是貫通基礎科學研究與實際應用的重要頻譜區(qū)間。然而，隨著光波長的增大，光與物質(zhì)相互作用減弱、空間分辨率受限等問題日益凸顯，制約了相關表征手段和功能器件性能的進一步提升。
極化激元是材料中元激發(fā)，如自由電子集體振蕩（等離激元）、晶格聲子（聲子極化激元）等，與光子強耦合形成的準粒子，其具備深亞波長尺度的強光場局域特性。傳統(tǒng)貴金屬等離激元主要工作于可見—近紅外波段，已在高密度磁存儲、表面增強光譜等領域取得重要應用。相比之下，中紅外波段極化激元體系的研究與開發(fā)，有望為增強中紅外光–物質(zhì)相互作用、推動相關表征技術(shù)與器件性能提升提供新的物理平臺。
低對稱性極性晶體薄膜天然支持體限域的雙曲型聲子極化激元（volume-confined hyperbolic phonon polaritons，v-HPhPs），其兼具高度可壓縮的光場與優(yōu)異的定向傳播特性，已成為納米尺度定向調(diào)控光–物質(zhì)相互作用的重要平臺，并在片上熱輸運調(diào)控、分子片上光譜與腔量子材料工程等領域展現(xiàn)出廣闊應用前景。然而，受限于有效調(diào)控手段不足，v-HPhPs 的進一步發(fā)展仍面臨挑戰(zhàn)。
石墨烯等離激元具有靈活的電調(diào)諧特性，通過模式耦合效應，已被認為是實現(xiàn)v-HPhPs調(diào)控的重要物理機制。研究團隊基于在等離激元領域的長期研究積累，在理論上建立了石墨烯等離激元極限調(diào)控能力的物理模型，并在實驗中通過在v-HPhPs薄膜/空氣界面集成層間偏壓雙層石墨烯結(jié)構(gòu)，利用層間電荷同相集體振蕩的等離激元模式，驗證了這一極限化調(diào)控。該調(diào)控方式具有動態(tài)范圍大、不依賴介電環(huán)境、低驅(qū)動電壓等優(yōu)勢。基于此，團隊演示了極化激元等頻色散線拓撲相變的靈活調(diào)控。更重要的是，該工作展示了對片上光場能流方向的動態(tài)編程能力，為中紅外片上動態(tài)功能器件的發(fā)展開辟了新前景，在可重構(gòu)熱管理和超靈敏生物傳感等領域具有重要應用潛力。
相關成果以 “Ultimate tuning of hyperbolic phonon polaritons” （雙曲聲子極化激元的極端調(diào)控）為題發(fā)表在Science Advances上。南開大學為第一完成單位，博士研究生張令龍為第一作者，羅維維副教授、蔡衛(wèi)教授和許京軍教授為共同通訊作者。
在強關聯(lián)氧化物體系中，電子間的強相互作用往往伴隨顯著的電磁能量耗散，使這類被稱為“壞金屬”的材料長期被認為難以支持低損耗的等離激元響應。散射式近場光學顯微技術(shù)作為強關聯(lián)體系超分辨光學表征的重要手段，其探測信號通常被理解為源于局域介電響應機制。
鎳酸鹽材料作為典型的強關聯(lián)氧化物體系，晶格、電荷與自旋等參數(shù)交織，展現(xiàn)出復雜而豐富的物理行為，并可在溫度、電場等外場激勵下發(fā)生一階金屬-絕緣體相變。羅維維副教授與其博士后期間所在的日內(nèi)瓦大學Alexey B. Kuzmenko教授團隊合作，以鎳酸釹（NdNiO?）薄膜為研究對象，利用中紅外散射型近場光學顯微技術(shù)，實現(xiàn)了金屬-絕緣體相分離邊界的納米級成像，并在界面處觀測到顯著增強的近場光學相位信號。結(jié)合理論分析與數(shù)值模擬，研究揭示了實驗信號源于金屬–絕緣體邊界處形成的邊緣等離激元模式。隨著相變邊界寬度的減小，該模式由介電常數(shù)近零下的局域響應，逐漸演變?yōu)榫哂袦室痪S傳輸特征的非局域響應。該工作闡明了非局域響應在強關聯(lián)體系近場光學表征中的關鍵作用，為金屬–絕緣體相變行為的實驗識別與理解提供了重要判據(jù)。同時，準一維傳播的邊緣等離激元模式的發(fā)現(xiàn)，為發(fā)展基于相變材料的可重構(gòu)紅外光子器件提供了重要物理基礎。
相關成果以 “Edge polaritons at metal–insulator boundaries in a phase separated correlated oxide” （相分離關聯(lián)氧化物中金屬-絕緣體邊界處的邊緣極化激元）為題發(fā)表在Nature Communications上。南開大學為第一完成單位，羅維維副教授與日內(nèi)瓦大學博士生Adrien Bercher為共同第一作者，Alexey B. Kuzmenko教授為通訊作者。
上述研究工作得到了國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金、廣東省基礎與應用基礎研究重大項目以及高等學校學科創(chuàng)新引智計劃等項目的資助。
《超構(gòu)透鏡（Metalens）專利態(tài)勢分析-2024版》
《光學和射頻領域的超構(gòu)材料和超構(gòu)表面-2024版》
《光學和射頻應用的超構(gòu)材料-2024版》
《短波紅外、中波紅外和制冷型紅外成像-2025版》
《銦鎵砷（InGaAs）光電探測器專利態(tài)勢分析-2025版》
《量子點光電傳感器專利態(tài)勢分析-2024版》
《蘋果在量子點光電傳感器領域的發(fā)明專利與產(chǎn)業(yè)布局分析》
《紅外熱成像與傳感技術(shù)及市場-2025版》
