中国地质大学(武汉)，今日重磅Nature！

2025-07-17

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混合物质–光子激发态（即极化激元），在双曲晶体中表现出强烈的光–物质相互作用，尤其以双曲极化激元的形式广受关注。

双曲晶体是一类各向异性材料，其介电张量分量具有相反符号。

然而，这类现象一直局限于具备双曲响应的晶体，其光学响应频率固定且缺乏可调性，从而限制了其更广泛的应用潜力。

在此，来自新加坡南洋理工大学的王岐捷&胡光伟、中国地质大学(武汉)和中国地质大学深圳研究院的李国岗&戴志高等研究者首次在非双曲性的钒酸钇（YVO₄）晶体中观测到双曲表面声子极化激元（hyperbolic surface phonon polaritons）的出现。相关论文以题为“Long-range hyperbolic polaritons on a non-hyperbolic crystal surface”于2025年07月16日发表在Nature上。

表面模场的增强，显著提升了光学平台中光–物质相互作用的强度，为广泛的应用场景提供了可能。

该领域的研究主要集中于波导邻近的表面场、金属中的表面等离激元（SPPs）以及极性晶体中的表面声子极化激元（SPhPs）。

近年来，块体双曲晶体表面的波动现象成为研究热点。

这类晶体具有极强的光学各向异性，其介电张量主元呈现相反符号，从而在体材料中支撑双曲等频曲线（IFCs）。

当光子与晶体中的光学声子强耦合时，形成所谓的双曲声子极化激元（HPhPs）。

此类激发态已在多种范德华材料中被观测到，如六方氮化硼（hBN）、α-MoO₃、V₂O₅ 及 ATeMoO₆（A = Mg、Zn、Mn、Cd、Co 等），以及在一些块体晶体中，例如CaCO₃、β-Ga₂O₃、CdWO₄ 和 Y₂SiO₅ 等。

将各向同性介电材料（如空气）与双曲晶体构成界面，可构建一个激发双曲表面波的简明平台。

值得注意的是，hBN 晶体侧壁（包含光轴）界面上已观测到双曲表面声子极化激元（hSPhPs），该界面支持 Dyakonov 表面模。

此外，在具有单轴各向异性的三方方解石表面也发现了“幽灵态（ghost）hSPhPs”，其在晶体内部伴随复杂的动量分叉特征。

随着光轴方向的改变，这些模的色散关系可发生由双曲态向椭圆态的拓扑转变，类似于凝聚态物理中著名的 Lifshitz 转变。

近期研究还发现，在低对称性晶体（如单斜结构的 β-Ga₂O₃、CdWO₄ 和 Y₂SiO₅）界面可激发双曲剪切极化激元（hyperbolic shear polaritons）。

这些晶体因镜像对称性破缺，在传播特性中展现出非对称性，从而可用于面内超透镜成像、高光谱分子检测等远红外纳米光子学应用。

然而，这些系统中的 hSPhPs 存在关键限制，即它们依赖于晶体本征的双曲色散特性，而这种色散仅存在于固定的 Reststrahlen 带宽内。

这一频谱约束显著限制了 hSPhPs 的应用频率范围。当前对双曲晶体色散调控的方法（如扭转、几何调制、异质结构建等）通常工艺复杂，且不适用于 hSPhPs 的调制。

因此，亟需探索在非双曲频段中存在的 hSPhPs 现象，并发展动态原位调控手段，以拓展其实用潜力与应用空间。

在本研究中，研究者报道了在非双曲频段内，于块体四方晶体——钒酸钇（YVO₄）界面上激发出 hSPhPs 的现象，此时其介电张量的两个主分量（ε⊥与 ε∥）均为负值（见图1a）。

研究者首先从理论上重新分析了各向异性电介质界面（如空气）中 hSPhPs 的色散特征与存在条件，随后利用实空间纳米成像技术直接可视化了这类极化激元的波前，验证了其双曲传播特性。

进一步结合理论建模与低温纳米成像，研究者实现了对极化激元的原位拓扑调控，通过调节红外光频率与温度，实现其从双曲态向椭圆态的可逆转变。

据研究者所知，这是首次在非本征双曲晶体中实现的双曲表面极化激元模式的直接观测。

本研究显著拓展了界面光学中双曲纳米光子学的范畴与频谱范围，为负折射与负反射、超透镜成像、极化激元化学、集成光子学等领域的应用提供了全新可能。

图1 非双曲体材料表面的双曲表面声子极化子。

图2 非双曲材料中hSPhPs的实空间成像。

图3 非双曲材料中无外部操纵的hSPhPs的固有拓扑跃迁和无衍射通化。

图4 hSPhPs在非双曲材料中的温度相关传播特性。

综上所述，本研究在钒酸钇（YVO₄）晶体的非双曲频段中首次揭示了双曲表面声子极化激元（hSPhPs）的存在。

这些极化激元不仅具有低损耗、长传播距离与长寿命等优异特性，还可通过调控红外光频率与温度，实现无需微纳加工即可原位诱导的色散拓扑转变，即从椭圆态向双曲态的动态可控过渡。

此外，研究者发现通过调节背景介电常数，可进一步优化非双曲极化激元的传播行为与场定位特性，为未来光子传感与动态调控系统提供更广阔的应用前景。

本工作明确指出，块体双曲色散并非激发双曲表面模的必要条件，从而显著扩展了双曲纳米光学的范畴。

这一概念可推广至其他材料平台（如 4H-SiC）及更广泛的频谱区域，推动其在负折射、面内超透镜成像、极化激元互连、高光谱检测等多个关键领域的应用。

同时，温度驱动的色散调控策略使得极化激元波长与群速度的精细调节成为可能，展现出极高的灵敏性与快速响应能力。

这一机制为深入探索光-物质相互作用，以及未来双曲极化激元技术的发展提供了重要契机。

据悉，这篇文章从投稿到发表，仅仅四个多月！

参考文献

Liu, L., Xiong, L., Wang, C. et al. Long-range hyperbolic polaritons on a non-hyperbolic crystal surface. Nature (2025). https://doi.org/10.1038/s41586-025-09288-1

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-025-09288-1

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