我国在超低损耗的声子极化激元方面取得新进展

(资料图)

纳米光子学是在纳米尺度上研究光和物质相互作用的交叉学科，在光电子、信息、材料物理以及生物传感等诸多领域都具有重要意义。极化激元是纳米光子学的重要组成部分，它是由自由空间光子和电子、声子、激子等极化电荷杂化产生的准粒子，在突破传统光学的衍射限制，实现光子的亚波长调控，增强光与物质相互作用等方面发挥了巨大作用。近年来出现的二维材料，极大地丰富了极化激元的材料范畴，给极化激元的发展带来了新的活力。对于极化激元来说，寿命和可调谐性是其走向更广泛应用的关键，长寿命的极化激元能够促进基础光子器件的性能，丰富的调谐性能够增强光子器件的操纵性。最近在天然双曲材料α-MoO₃中发现了面内双曲的声子极化激元，这为纳米尺度的光子操纵提供了新途径。尽管已报道的α-MoO₃的声子极化激元的光学损耗已经比表面等离激元小得多，但为实现更广泛的极化激元应用，需要不断探索新方法来降低其声子极化激元的光学损耗。自然情况下，¹⁶O在α-MoO3中的丰度为99.7%，单元素丰度很高。然而，Mo元素有7种稳定的同位素：⁹²Mo、⁹⁴Mo、⁹⁵Mo、⁹⁶Mo、⁹⁷Mo、⁹⁸Mo和¹⁰⁰Mo，每种元素的丰度分布在9% - 24%之间。这七种不同的Mo同位素造成Mo元素分布较为混乱，导致天然α-MoO₃中声子极化激元显著的光学损耗。

为了降低α-MoO3中声子极化激元的光学损耗，中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心L04组陈佳宁研究员和N04组鲍丽宏副研究员合作。利用化学气相输运的方式生长了高质量的⁹²Mo和¹⁰⁰Mo同位素富集的α-⁹²MoO3和α-¹⁰⁰MoO₃二维原子晶体。利用散射式扫描近场光学显微镜对天然和Mo同位素富集的α-MoO₃中的声子极化激元进行实空间成像，揭示了Mo同位素富集的α-MoO₃在室温下支持超低损耗的声子极化激元，其寿命由8 ps（天然α-MoO₃，Nature 2018, 562, 557-562）大大提高到13.9 ps，这和由拉曼光谱反映的Mo同位素富集的α-MoO₃中有更长的声子寿命（更窄的Ag²声子峰）是一致的。研究还发现，作为一种新的自由度，对Mo元素原子质量的控制可以有效地调节α-MoO₃声子极化激元的Reststrahlen带，为声子极化激元的控制提供了新的操纵手段。以上研究表明，Mo同位素富集有效降低了α-MoO₃晶体中声子极化激元的光学损耗，为制造超低损耗的极化激元器件提供了潜在的候选者。

相关工作近期以“Ultralow-loss phonon polaritons in the isotope-enriched α-MoO₃”为题发表在Nano Letters上，上述研究工作得到了科技部重点研发计划、国家自然科学基金、中国科学院战略性先导科技专项、中国科学院青年创新促进会、北京市自然科学基金和中国博士后科学基金的资助。物理研究所L04组博士研究生赵永潜为第一作者，鲍丽宏副研究员和陈佳宁研究员为共同通讯作者。

原文链接：https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.2c03742

图1 天然和Mo同位素富集的α-MoO₃晶体的结构表征

图2 不同α-MoO₃晶体中声子极化激元的近场红外成像及光学损耗比较。

图3 不同α-MoO₃晶体中面内椭圆和双曲的声子极化激元及其色散