韩国高等科学技术研究院 (KAIST) 的研究团队及其国内外合作者近日成功实现在超薄的范德华晶体中引导压缩光。他们认为，该方法能够以极低的损耗引导中红外光，有力推动了基于纳米级强光-物质相互作用的超薄介电晶体在新一代光电子器件中的实际应用。
该研究的目标是基于声子极化子的技术的实际应用。声子极化子是极性电介质中离子与光的电磁波耦合的集体振荡，其电磁场与光的波长相比要压缩得多。最新究表明，当将材料放置在高导电性金属上时，薄范德华晶体中的声子极化子可以被进一步压缩。
在这种情况下，极化子晶体中的电荷在金属中“反射”，它们与光耦合会产生一种称为图像声子极化子的新型极化子波。高度压缩的图像模式提供了强光与物质的相互作用，但对基板粗糙度非常敏感，严重阻碍了其实际应用。
图 扫描近场光学显微镜的纳米尖端用于对金晶体边缘发射的hBN中的声子极化子图像进行超高分辨率成像。
为了克服上述限制，来自四个不同研究团队的科研人员共同努力，设计了一个独特的实验平台。
KAIST电气工程系教授 Min Seok Jang带领的研究小组利用高灵敏度扫描近场光学显微镜(SNOM)，直接测量了在单晶金衬底上63纳米厚的六方氮化硼(hBN)板上传播的双曲像声子极振子(HIP)的光场，显示了介质晶体中被压缩了100倍的中红外线光波。
Jang 教授及其研究团队的同事Sergey Menabde 教授成功获得了多波长HIP波传播的直接图像，并在常规hBN晶体中检测到一个来自超压缩高阶HIP的信号。他们表明，范德华晶体中的声子极化子可以在不牺牲其寿命的情况下被显著压缩。
由于用作 hBN 基板的金晶体的原子级光滑表面，在中红外频率下，金晶体的表面散射几乎为零且和欧姆损耗极低，使 HIP 传播处于一个低损耗的水平。 研究人员探测的 HIP 模式比具有低损耗介电基板的声子极化子压缩了 2.4 倍，但其寿命却相似，因此在归一化传播长度的品质因数提高了两倍。实验中使用的超光滑单晶金片由南丹麦大学纳米光学中心的N. Asger Mortensen 教授团队化学生长。
中红外光谱对于传感应用非常重要，因为该区域具有众多吸收线的有机分子。然而，传统的检测方法需要大量的分子才能产生读数。而超压缩声子极化子场可以在微观水平上提供强光物质相互作用，从而将检测限显着提高到单个分子。HIP 在单晶金上的长寿命将进一步提高检测性能。
此外，该研究还证明了 HIP 和图像石墨烯等离子体之间的相似性。两种图像模式都具有明显受限的电磁场，尽管它们的寿命不受较短极化子波长的影响。与介电基板上的范德华晶体中的常规低维极化子相比，该观察结果总体上为图像极化子提供了更广泛的视角，并突出了它们在纳米光波导方面的实用性。
Jang希望该方法能为实现更高效的纳米光子器件铺平道路，比如超表面、光开关、传感器和其他在红外区域工作的器件。
该研究被发表在Science Advances（www.doi.org/10.1126/sciadv.abn0627）。
