研究前沿：太赫茲表面聲子極化激元PhPs-Hyperlensing | Nature Materials

（引子：表面聲子極化激元可出現在極性介質材料的剩余射線帶Reststrahlen Band（RB），即橫向光學聲子（TO）與縱向光學聲子（LO）之間的頻率范圍，在該頻率范圍內，即介電常數實部在不同晶軸方向上符號相反，介電常數實部為負（ε < 0），材料的橫向與縱向介電響應分別為正與負（或反之），從而導致其色散曲面呈雙曲形態，支持極化激元的定向傳播與強局域。）

將電磁輻射限域在亞波長尺度范圍，取決于光-物質的強相互作用。在紅外和太赫茲光譜范圍內，聲子極化激元通常用于實現深度亞衍射光場限域，相比于等離子體激元，這種光學模式提供低得多的損耗。其中，各向異性材料中的雙曲聲子極化激元，為光場限域confinement提供了很有前景的平臺。

近日，維爾范德比爾特大學Joshua D. Caldwell教授團隊以及弗里茨·哈伯研究所 Alexander Paarmann 團隊合作在Nature Materials上發文，報道了在太赫茲光譜范圍內，限域因子超過λ0/250的鉿基二硫族化合物中，實現了超壓縮聲子極化激元。

這些化合物中，光-物質耦合強度和HfSe2的自然雙曲特性，使深亞波長薄膜中的這種極端光壓縮成為可能。這一發現強調了光-物質耦合對極化激元限域的作用，對于極性電介質中的聲子極化激元，這是由橫向-縱向光學聲子能量劈裂決定的。

研究表明，過渡金屬二硫屬元素化物是太赫茲納米光子應用的有利平臺。也揭示了光-物質耦合強度對極化激元局域能力的關鍵作用，為高性能太赫茲成像、傳感和量子調控器件提供了新材料基礎，極大拓展了極化激元材料在遠紅外頻段的應用前景。

第一作者：Ryan A. Kowalski, Niclas S. Mueller

通訊作者：Alexander Paarmann & Joshua D. Caldwell

通訊單位：維爾范德比爾特大學，德國弗里茨·哈伯研究所

Ultraconfined terahertz phonon polaritons in hafnium dichalcogenides.

二硫屬元素化鉿中，超壓縮太赫茲聲子極化激元。

圖1:太赫茲聲子極化激元phonon polaritons，PhPs的實空間成像。

圖2:薄膜極化激元的限域和色散。

圖3:太赫茲hyperlensing的高度次衍射成像。

圖4:中紅外和太赫茲極性電介質的光-物質耦合強度。

在二硫化鉿（HfS?）和二硒化鉿（HfSe?）中，觀測到超局域太赫茲聲子極化激元（PhPs），局域因子超過λ?/250，創下該頻段新紀錄。采用機械剝離法制備納米級薄片，利用自由電子激光器（FEL）結合散射型掃描近場光學顯微鏡（s-SNOM）進行實空間成像，成功捕捉到極化激元的傳播行為，并通過hyperlensing結構實現亞衍射極限成像。

特性

Metalenses (超透鏡)

Hyperlensing (超透鏡成像)

工作原理波前相位調控材料內射線傳導物理基礎

人工納米結構（超原子）的光散射和共振，產生局域相移。

材料本征的雙曲型色散關系，支持高動量極化激元以射線形式傳播。

核心機制

通過Huygens–Fresnel原理，使入射光在通過透鏡表面時產生預設的相位分布，聚焦或成像。

利用雙曲材料將隱失場（攜帶亞波長信息）轉換為傳播波，并在材料內部傳導和放大。

材料平臺

人工設計的納米天線陣列 （如硅、氮化鎵柱，或金屬V形天線）構成。

天然或合成的體材料（如HfSe?, hBN, α-MoO?），雙曲特性是材料本身的屬性。功能聚焦、成像像差校正產生渦旋光等，旨在替代傳統透鏡超衍射極限成像，主要用于放大和分辨亞波長特征光場狀態

主要在自由空間中操控傳播光。

主要在材料內部激發表面或體極化激元。

典型結構平面的、超薄的二維陣列。體材料或薄膜，需要一定的厚度來支撐射線傳播。目標制造超薄、輕量、多功能的平面光學元件，以取代傳統笨重的曲面透鏡，實現光學系統的小型化和集成化。突破衍射極限，實現對納米尺度物體的超分辨率成像和探測，特別是在中紅外和太赫茲等長波段。類比

由無數個微型天線組成的平面相位板。

為隱失場打造的內部“光纖”或“波導”網絡，能將它們“運送”到遠處。

文獻鏈接

Kowalski, R.A., Mueller, N.S., álvarez-Pérez, G. et al. Ultraconfined terahertz phonon polaritons in hafnium dichalcogenides. Nat. Mater. (2025).

https://doi.org/10.1038/s41563-025-02345-0

本文譯自Nature。

來源：今日新材料

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