(相關(guān)資料圖)

納米光子學(xué)是在納米尺度上研究光和物質(zhì)相互作用的交叉學(xué)科，在光電子、信息、材料物理以及生物傳感等諸多領(lǐng)域都具有重要意義。極化激元是納米光子學(xué)的重要組成部分，它是由自由空間光子和電子、聲子、激子等極化電荷雜化產(chǎn)生的準(zhǔn)粒子，在突破傳統(tǒng)光學(xué)的衍射限制，實(shí)現(xiàn)光子的亞波長(zhǎng)調(diào)控，增強(qiáng)光與物質(zhì)相互作用等方面發(fā)揮了巨大作用。近年來(lái)出現(xiàn)的二維材料，極大地豐富了極化激元的材料范疇，給極化激元的發(fā)展帶來(lái)了新的活力。對(duì)于極化激元來(lái)說(shuō)，壽命和可調(diào)諧性是其走向更廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵，長(zhǎng)壽命的極化激元能夠促進(jìn)基礎(chǔ)光子器件的性能，豐富的調(diào)諧性能夠增強(qiáng)光子器件的操縱性。最近在天然雙曲材料α-MoO₃中發(fā)現(xiàn)了面內(nèi)雙曲的聲子極化激元，這為納米尺度的光子操縱提供了新途徑。盡管已報(bào)道的α-MoO₃的聲子極化激元的光學(xué)損耗已經(jīng)比表面等離激元小得多，但為實(shí)現(xiàn)更廣泛的極化激元應(yīng)用，需要不斷探索新方法來(lái)降低其聲子極化激元的光學(xué)損耗。自然情況下，¹⁶O在α-MoO3中的豐度為99.7%，單元素豐度很高。然而，Mo元素有7種穩(wěn)定的同位素：⁹²Mo、⁹⁴Mo、⁹⁵Mo、⁹⁶Mo、⁹⁷Mo、⁹⁸Mo和¹⁰⁰Mo，每種元素的豐度分布在9% - 24%之間。這七種不同的Mo同位素造成Mo元素分布較為混亂，導(dǎo)致天然α-MoO₃中聲子極化激元顯著的光學(xué)損耗。

為了降低α-MoO3中聲子極化激元的光學(xué)損耗，中國(guó)科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國(guó)家研究中心L04組陳佳寧研究員和N04組鮑麗宏副研究員合作。利用化學(xué)氣相輸運(yùn)的方式生長(zhǎng)了高質(zhì)量的⁹²Mo和¹⁰⁰Mo同位素富集的α-⁹²MoO3和α-¹⁰⁰MoO₃二維原子晶體。利用散射式掃描近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡對(duì)天然和Mo同位素富集的α-MoO₃中的聲子極化激元進(jìn)行實(shí)空間成像，揭示了Mo同位素富集的α-MoO₃在室溫下支持超低損耗的聲子極化激元，其壽命由8 ps（天然α-MoO₃，Nature 2018, 562, 557-562）大大提高到13.9 ps，這和由拉曼光譜反映的Mo同位素富集的α-MoO₃中有更長(zhǎng)的聲子壽命（更窄的Ag²聲子峰）是一致的。研究還發(fā)現(xiàn)，作為一種新的自由度，對(duì)Mo元素原子質(zhì)量的控制可以有效地調(diào)節(jié)α-MoO₃聲子極化激元的Reststrahlen帶，為聲子極化激元的控制提供了新的操縱手段。以上研究表明，Mo同位素富集有效降低了α-MoO₃晶體中聲子極化激元的光學(xué)損耗，為制造超低損耗的極化激元器件提供了潛在的候選者。

相關(guān)工作近期以“Ultralow-loss phonon polaritons in the isotope-enriched α-MoO₃”為題發(fā)表在Nano Letters上，上述研究工作得到了科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專(zhuān)項(xiàng)、中國(guó)科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)、北京市自然科學(xué)基金和中國(guó)博士后科學(xué)基金的資助。物理研究所L04組博士研究生趙永潛為第一作者，鮑麗宏副研究員和陳佳寧研究員為共同通訊作者。

原文鏈接：https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.2c03742

圖1 天然和Mo同位素富集的α-MoO₃晶體的結(jié)構(gòu)表征

圖2 不同α-MoO₃晶體中聲子極化激元的近場(chǎng)紅外成像及光學(xué)損耗比較。

圖3 不同α-MoO₃晶體中面內(nèi)橢圓和雙曲的聲子極化激元及其色散

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