近日，上海理工大學(xué)光電學(xué)院特聘教授陳舒以第一作者身份在《自然·材料》（Nature Materials，中科院一區(qū)，IF:47.656）上發(fā)表題為“超限域面內(nèi)各向異性太赫茲聲學(xué)等離激元的實(shí)空間觀測(cè)”（Real-space observation of ultraconfined in-plane anisotropic acoustic terahertz plasmon polaritons）的研究成果，上海理工大學(xué)為第一單位。該成果聯(lián)合西班牙納米科學(xué)研究中心（CIC nano GUNE）和復(fù)旦大學(xué)等單位的研究人員，研究發(fā)現(xiàn)基于性能優(yōu)化的太赫茲散射式掃描近場(chǎng)光學(xué)顯微技術(shù)（THz s-SNOM）在低對(duì)稱單斜晶系銀碲（Ag2Te）納米薄片中首次觀測(cè)到面內(nèi)各向異性太赫茲等離激元。
極化激元（Polaritons）指的是光和物質(zhì)相互耦合形成的準(zhǔn)粒子。其中，最具代表的有由光耦合電子或聲子振動(dòng)形成的等離極化激元（Plasmons Polaritons）或聲子極化激元（Phonon Polaritons）。極化激元具有突破光學(xué)衍射極限、高度局域光場(chǎng)、顯著放大近場(chǎng)等能力，被廣泛應(yīng)用在成像、傳感、通訊、能源等研究領(lǐng)域并已取得重要進(jìn)展。極化激元光學(xué)已經(jīng)發(fā)展為當(dāng)今光物理、凝聚態(tài)物理、材料科學(xué)、半導(dǎo)體科學(xué)、生物化學(xué)等多學(xué)科交叉的前沿研究領(lǐng)域。
近年來，各向異性極化激元被廣泛研究，因其方向依賴的傳播方式，在光的傳播、調(diào)控方面具有比各向同性極化激元更高的自由度和產(chǎn)生更為豐富的物理光學(xué)現(xiàn)象（如：聚焦、負(fù)折射）。聲子極化激元壽命高達(dá)數(shù)皮秒，具有較長(zhǎng)的傳播長(zhǎng)度，易于從實(shí)空間被觀測(cè)到。值得注意的是，聲子極化激元僅存在于橫向和縱向光學(xué)聲子間極窄頻段內(nèi)（即：Reststrahlen band），且多出現(xiàn)在中紅外頻段。相比于聲子極化激元，等離極化激元可以在可見光到太赫茲寬波段內(nèi)存在。然而，由于等離激元壽命較短（室溫下處于亞ps量級(jí)），實(shí)空間觀測(cè)面內(nèi)各向異性的等離激元傳播波尚未能實(shí)現(xiàn)，尤其在技術(shù)日趨重要的太赫茲波段，傳播等離激元實(shí)空間成像極具挑戰(zhàn)性。
對(duì)此，研究團(tuán)隊(duì)基于性能優(yōu)化的太赫茲散射式掃描近場(chǎng)光學(xué)顯微技術(shù)在低對(duì)稱單斜晶系銀碲納米薄片中首次觀測(cè)到面內(nèi)各向異性太赫茲等離激元。通過借助聲學(xué)模式同時(shí)顯著提高了等離激元光場(chǎng)壓縮能力（高達(dá)65）和相對(duì)傳播長(zhǎng)度，得以實(shí)空間可視化觀測(cè)橢球極化激元傳播波前。研究團(tuán)隊(duì)基于橢球型極化激元進(jìn)而探索納米探測(cè)材料基本屬性新應(yīng)用，
該原創(chuàng)性成果填補(bǔ)了極化激元光學(xué)領(lǐng)域空白，對(duì)極化激元光學(xué)基礎(chǔ)和應(yīng)用研究具有重要指導(dǎo)意義，同時(shí)也為太赫茲納米尺度下基礎(chǔ)及應(yīng)用研究構(gòu)筑了新平臺(tái)。除了探索傳統(tǒng)和新型量子材料的基本材料特性之外，超限域太赫茲聲學(xué)等離極化激元有望構(gòu)建超緊湊片上太赫茲應(yīng)用。利用聲學(xué)極化激元波在納米間隙中形成的強(qiáng)場(chǎng)增強(qiáng)有望實(shí)現(xiàn)超靈敏太赫茲分子傳感或強(qiáng)耦合，為太赫茲小型化器件、納米材料檢測(cè)等基礎(chǔ)及應(yīng)用構(gòu)筑了重要研究平臺(tái)。
該工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金委（Nos. 61988102，52225207，11934005）、上海科學(xué)技術(shù)委員會(huì)（Nos. 23010503400，23ZR1443500）等基金的支持。
低對(duì)稱銀碲薄層晶體中橢球型太赫茲各向異性聲學(xué)等離激元傳播的藝術(shù)示意圖
硅襯底上銀碲薄片面內(nèi)各向異性的太赫茲表面等離激元近場(chǎng)成像
銀碲放置在SiO2/金基底異質(zhì)結(jié)中面內(nèi)各向異性的太赫茲聲學(xué)等離激元近場(chǎng)成像
各向異性聲學(xué)等離激元傳播主軸與銀碲薄片幾何、晶體晶格結(jié)構(gòu)間的關(guān)系
論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41563-023-01547-8
供稿：光電學(xué)院
