进展超低损耗的声子极化激元

　　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-MoO  3  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-MoO 3 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，O 在α-MoO 3 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、⁹ ⁴  Mo、⁹ ⁵  Mo、⁹ ⁶    Mo、⁹ ⁷      Mo、⁹        ⁸        Mo 和¹⁰        ⁰        Mo  ，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-MoO 3 中声子极化激元显著的光学损耗。
　　图1 天然和Mo同位素富集的  α-MoO 3 晶体的结构表征
　　为了降低α-MoO 3 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¹⁰        ⁰        Mo   同位素富集的α-⁹²Mo   O 3 和α-¹⁰        ⁰        Mo   O 3 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-MoO 3 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-MoO 3 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-MoO 3 ， 2018, , 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-MoO 3 中有更长的声子寿命（更窄的声子峰 A ）是一致的。
　　图2 不同α-MoO   3 晶体中声子极化激元的近场红外成像及光学损耗比较。
　　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-MoO 3 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-MoO 3 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。
　　图3 不同α-MoO   3 晶体中面内椭圆和双曲的声子极化激元及其色散
　　相关工作近期以＂Ultralow-loss phonon polaritons in the isotope-enriched α-MoO 3  ＂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。