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2025

非双曲材料中发现双曲极化激元

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双曲材料因其独特的电磁特性被视为纳米光子学的核心载体之一，但其光学响应被限制在固定的双曲频段，极大限制了应用潜力。中国地质大学（武汉）与新加坡南洋理工大学等国际团队合作，首次在钒酸钇晶体（YVO₄）非双曲波段（介电常数张量均为负值）中观测到双曲声子极化激元。通过温度调控，团队实现了极化激元从双曲型到椭圆型的光学拓扑相变，并揭示其低损耗、长距离传播特性。这一发现打破了双曲材料领域的固有认知，为纳米光子操控开辟全新路径。

近日，中国地质大学（武汉）戴志高教授与新加坡南洋理工大学胡光维（南洋助理教授）领衔的合作团队，在《自然》期刊上发表题为《Long-range hyperbolic polaritons on a non-hyperbolic crystal surface》的研究论文。该研究首次在非双曲晶体中观察到双曲表面声子极化激元（Hyperbolic Surface Phonon Polaritons, hSPhPs），突破了学界对双曲波依赖“本征双曲材料”的传统认知，为双曲极化激元纳米光子学开辟了新的研究范式。

双曲极化激元在材料表面实现光场极端压缩，为高灵敏传感、超分辨成像等应用提供关键支持。然而，现有研究均依赖人工双曲超材料和天然双曲材料（如金属介质多层膜、六方氮化硼、三氧化钼等介电常数异号体系），其双曲特性仅存在于特定“双曲频段”（Reststrahlen带）。能否在非双曲材料中激发双曲极化激元，并实现原位动态调控成为领域核心挑战。

研究亮点

1. 发现非双曲频段的双曲极化激元

团队选择四方晶系YVO₄晶体作为载体（图2）。实验结果表明，即使在晶体的介电张量分量ε_∥ 和 ε_⊥同为负值的非双曲频段，该材料表面仍可支持双曲型声子极化激元的传播。

关键机制：界面处满足特定的表面波共振条件（﹣ε₁＜ε_⊥＜0且ε_∥＜ε₁²/ε_⊥＜0），这使得电磁场仅沿一个方向传播，在面内呈现双曲型等频轮廓。

实验验证：通过散射型近场光学显微镜（s-SNOM）在895 – 905 cm^-1频段直接观测到双曲波前（图3 c-e），其开口角α随频率增大而减小（898cm^-1 时α=51°，902cm^-1 时α=33°）。

研究突破性实现了原位动态调控：通过降温（300K→150K），钒酸钇晶体介电常数发生蓝移（图4a），诱导极化激元发生从椭圆→双曲的原位光学拓扑转变。

相变过程：在220K时，894cm^-1处为椭圆波前（图4d），900 cm^-1处过渡为无衍射的“准直模式”（图4e），905 cm^-1处演化为双曲波前（图4f）。

长程传播：低温下极化激元传播距离显著提升，150 K时椭圆极化激元传播距离达59μm，群速度最高达0.076c，与传统材料如α-MoO₃和 hBN相比，其传播距离提升了约一个数量级，群速度则相较于α-MoO₃提高了近两个数量级。

该研究结果通过澄清双曲型色散和双曲型晶体并非实现双曲极化激元的必要条件，显著拓展了双曲型纳米光学的应用边界。在钒酸钇晶体的非双曲频段内，我们首次观测到双曲声子极化激元的存在，其表现出低损耗、长传播距离与长寿命等优异特性。进一步地，通过简便地调控入射红外光频率与环境温度，可在原位实现双曲声子极化激元从椭圆色散向双曲色散的光学拓扑转变，免去了复杂的微纳制造工艺。此外，该双曲极化激元的拓展条件与温度驱动的色散工程，显著提升了对极化激元波长与群速度的精细调控能力，展现出高灵敏度和快速响应的调制特性。该机制为增强光-物质相互作用与推动双曲极化激元技术的发展提供了新的物理路径与工程手段。

据悉，该论文的第一作者为中国地质大学（武汉）刘璐博士（系戴志高教授首位博士生）、南洋理工大学熊浪浪博士、王重午博士后、白毅华博士后，通讯作者为中国地质大学（武汉）李国岗教授和戴志高教授、南洋理工大学王岐捷教授和胡光维教授（南洋助理教授），中国地质大学（武汉）博士生王宇鹏、电子科技大学马玮良教授、华中科技大学李培宁教授、西班牙马德里自治大学Francisco J. Garcia-Vidal教授为论文发表做出宝贵贡献。研究工作得到了国家自然科学基金、新加坡国家研究基金等多项资助。中国地质大学（武汉）材料与化学学院是第一完成单位。

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