（引子：表面聲子極化激元可出現(xiàn)在極性介質(zhì)材料的剩余射線帶Reststrahlen Band（RB），即橫向光學(xué)聲子（TO）與縱向光學(xué)聲子（LO）之間的頻率范圍，在該頻率范圍內(nèi)，即介電常數(shù)實(shí)部在不同晶軸方向上符號相反，介電常數(shù)實(shí)部為負(fù)（ε < 0），材料的橫向與縱向介電響應(yīng)分別為正與負(fù)（或反之），從而導(dǎo)致其色散曲面呈雙曲形態(tài)，支持極化激元的定向傳播與強(qiáng)局域。）

將電磁輻射限域在亞波長尺度范圍，取決于光-物質(zhì)的強(qiáng)相互作用。在紅外和太赫茲光譜范圍內(nèi)，聲子極化激元通常用于實(shí)現(xiàn)深度亞衍射光場限域，相比于等離子體激元，這種光學(xué)模式提供低得多的損耗。其中，各向異性材料中的雙曲聲子極化激元，為光場限域confinement提供了很有前景的平臺。

近日，維爾范德比爾特大學(xué)Joshua D. Caldwell教授團(tuán)隊(duì)以及弗里茨·哈伯研究所 Alexander Paarmann 團(tuán)隊(duì)合作在Nature Materials上發(fā)文，報(bào)道了在太赫茲光譜范圍內(nèi)，限域因子超過λ0/250的鉿基二硫族化合物中，實(shí)現(xiàn)了超壓縮聲子極化激元。

這些化合物中，光-物質(zhì)耦合強(qiáng)度和HfSe2的自然雙曲特性，使深亞波長薄膜中的這種極端光壓縮成為可能。這一發(fā)現(xiàn)強(qiáng)調(diào)了光-物質(zhì)耦合對極化激元限域的作用，對于極性電介質(zhì)中的聲子極化激元，這是由橫向-縱向光學(xué)聲子能量劈裂決定的。

研究表明，過渡金屬二硫?qū)僭鼗锸翘掌澕{米光子應(yīng)用的有利平臺。也揭示了光-物質(zhì)耦合強(qiáng)度對極化激元局域能力的關(guān)鍵作用，為高性能太赫茲成像、傳感和量子調(diào)控器件提供了新材料基礎(chǔ)，極大拓展了極化激元材料在遠(yuǎn)紅外頻段的應(yīng)用前景。

第一作者：Ryan A. Kowalski, Niclas S. Mueller

通訊作者：Alexander Paarmann & Joshua D. Caldwell

通訊單位：維爾范德比爾特大學(xué)，德國弗里茨·哈伯研究所

Ultraconfined terahertz phonon polaritons in hafnium dichalcogenides.

二硫?qū)僭鼗x中，超壓縮太赫茲聲子極化激元。

圖1:太赫茲聲子極化激元phonon polaritons，PhPs的實(shí)空間成像。

圖2:薄膜極化激元的限域和色散。

圖3:太赫茲hyperlensing的高度次衍射成像。

圖4:中紅外和太赫茲極性電介質(zhì)的光-物質(zhì)耦合強(qiáng)度。

在二硫化鉿（HfS?）和二硒化鉿（HfSe?）中，觀測到超局域太赫茲聲子極化激元（PhPs），局域因子超過λ?/250，創(chuàng)下該頻段新紀(jì)錄。采用機(jī)械剝離法制備納米級薄片，利用自由電子激光器（FEL）結(jié)合散射型掃描近場光學(xué)顯微鏡（s-SNOM）進(jìn)行實(shí)空間成像，成功捕捉到極化激元的傳播行為，并通過hyperlensing結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)亞衍射極限成像。

特性

Metalenses (超透鏡)

Hyperlensing (超透鏡成像)

工作原理波前相位調(diào)控材料內(nèi)射線傳導(dǎo)物理基礎(chǔ)

人工納米結(jié)構(gòu)（超原子）的光散射和共振，產(chǎn)生局域相移。

材料本征的雙曲型色散關(guān)系，支持高動量極化激元以射線形式傳播。

核心機(jī)制

通過Huygens–Fresnel原理，使入射光在通過透鏡表面時(shí)產(chǎn)生預(yù)設(shè)的相位分布，聚焦或成像。

利用雙曲材料將隱失場（攜帶亞波長信息）轉(zhuǎn)換為傳播波，并在材料內(nèi)部傳導(dǎo)和放大。

材料平臺

人工設(shè)計(jì)的納米天線陣列 （如硅、氮化鎵柱，或金屬V形天線）構(gòu)成。

天然或合成的體材料（如HfSe?, hBN, α-MoO?），雙曲特性是材料本身的屬性。功能聚焦、成像像差校正產(chǎn)生渦旋光等，旨在替代傳統(tǒng)透鏡超衍射極限成像，主要用于放大和分辨亞波長特征光場狀態(tài)

主要在自由空間中操控傳播光。

主要在材料內(nèi)部激發(fā)表面或體極化激元。

典型結(jié)構(gòu)平面的、超薄的二維陣列。體材料或薄膜，需要一定的厚度來支撐射線傳播。目標(biāo)制造超薄、輕量、多功能的平面光學(xué)元件，以取代傳統(tǒng)笨重的曲面透鏡，實(shí)現(xiàn)光學(xué)系統(tǒng)的小型化和集成化。突破衍射極限，實(shí)現(xiàn)對納米尺度物體的超分辨率成像和探測，特別是在中紅外和太赫茲等長波段。類比

由無數(shù)個(gè)微型天線組成的平面相位板。

為隱失場打造的內(nèi)部“光纖”或“波導(dǎo)”網(wǎng)絡(luò)，能將它們“運(yùn)送”到遠(yuǎn)處。

文獻(xiàn)鏈接

Kowalski, R.A., Mueller, N.S., álvarez-Pérez, G. et al. Ultraconfined terahertz phonon polaritons in hafnium dichalcogenides. Nat. Mater. (2025).

https://doi.org/10.1038/s41563-025-02345-0

本文譯自Nature。

來源：今日新材料

聲明：僅代表譯者觀點(diǎn)，如有不科學(xué)之處，請?jiān)谙路搅粞灾刚?/p>