超低损耗的声⼦极化激元

作者: 赵永潜,鲍丽宏,陈佳宁

来源: Nano Letters

发布日期: 2022-11-12

中国科学院物理研究所的研究团队通过化学⽓相输运的⽅式⽣⻓了⾼质量的92Mo和100Mo同位素富集的α-MoO3⼆维原⼦晶体,成功降低了α-MoO3中声⼦极化激元的光学损耗,显著提高了其寿命,为制造超低损耗的极化激元器件提供了新的可能性。

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,实现光⼦的亚波⻓调控,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,⻓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-MoO3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-MoO3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。

为了降低α-MoO3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⻓了⾼质量的92Mo和100Mo同位素富集的α-92MoO3和α-100MoO3⼆维原⼦晶体。

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-MoO3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-MoO3在室温下⽀持超低损耗的声⼦极化激元,其寿命由8ps(天然α-MoO3,Nature 2018, 562, 557-562)⼤⼤提⾼到13.9ps,这和由拉曼光谱反映的Mo同位素富集的α-MoO3中有更⻓的声⼦寿命(更窄的声⼦峰Ag2)是⼀致的。

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-MoO3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-MoO3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。

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