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。