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納米光子學是在納米尺度上研究光和物質相互作用的交叉學科，在光電子、信息、材料物理以及生物傳感等諸多領域都具有重要意義。極化激元是納米光子學的重要組成部分，它是由自由空間光子和電子、聲子、激子等極化電荷雜化產生的準粒子，在突破傳統光學的衍射限制，實現光子的亞波長調控，增強光與物質相互作用等方面發揮了巨大作用。近年來出現的二維材料，極大地豐富了極化激元的材料范疇，給極化激元的發展帶來了新的活力。對于極化激元來說，壽命和可調諧性是其走向更廣泛應用的關鍵，長壽命的極化激元能夠促進基礎光子器件的性能，豐富的調諧性能夠增強光子器件的操縱性。最近在天然雙曲材料α-MoO3中發現了面內雙曲的聲子極化激元，這為納米尺度的光子操縱提供了新途徑。盡管已報道的α-MoO3的聲子極化激元的光學損耗已經比表面等離激元小得多，但為實現更廣泛的極化激元應用，需要不斷探索新方法來降低其聲子極化激元的光學損耗。自然情況下，16O在α-MoO3中的豐度為99.7%，單元素豐度很高。然而，Mo元素有7種穩定的同位素：92Mo、94Mo、95Mo、96Mo、97Mo、98Mo和100Mo，每種元素的豐度分布在9% - 24%之間。這七種不同的Mo同位素造成Mo元素分布較為混亂，導致天然α-MoO3中聲子極化激元顯著的光學損耗。
為了降低α-MoO3中聲子極化激元的光學損耗，中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心L04組陳佳寧研究員和N04組鮑麗宏副研究員合作。利用化學氣相輸運的方式生長了高質量的92Mo和100Mo同位素富集的α-92MoO3和α-100MoO3二維原子晶體。利用散射式掃描近場光學顯微鏡對天然和Mo同位素富集的α-MoO3中的聲子極化激元進行實空間成像，揭示了Mo同位素富集的α-MoO3在室溫下支持超低損耗的聲子極化激元，其壽命由8 ps（天然α-MoO3，Nature 2018, 562, 557-562）大大提高到13.9 ps，這和由拉曼光譜反映的Mo同位素富集的α-MoO3中有更長的聲子壽命（更窄的Ag2聲子峰）是一致的。研究還發現，作為一種新的自由度，對Mo元素原子質量的控制可以有效地調節α-MoO3聲子極化激元的Reststrahlen帶，為聲子極化激元的控制提供了新的操縱手段。以上研究表明，Mo同位素富集有效降低了α-MoO3晶體中聲子極化激元的光學損耗，為制造超低損耗的極化激元器件提供了潛在的候選者。
相關工作近期以“Ultralow-loss phonon polaritons in the isotope-enriched α-MoO3”為題發表在Nano Letters上，上述研究工作得到了科技部重點研發計劃、國家自然科學基金、中國科學院戰略性先導科技專項、中國科學院青年創新促進會、北京市自然科學基金和中國博士后科學基金的資助。物理研究所L04組博士研究生趙永潛為第一作者，鮑麗宏副研究員和陳佳寧研究員為共同通訊作者。
原文鏈接：https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.2c03742
圖1 天然和Mo同位素富集的α-MoO3晶體的結構表征
圖2 不同α-MoO3晶體中聲子極化激元的近場紅外成像及光學損耗比較。
圖3 不同α-MoO3晶體中面內橢圓和雙曲的聲子極化激元及其色散
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