Light Sci. Appl.：基于结构激发的方解石ghost极化激元红外光电子应用
01前言
在纳米光学的前沿领域，一种被称为“幽灵声子极化激元”（Ghost Hyperbolic Phonon Polaritons, g-HPs）的奇特光-物质耦合态近年备受瞩目。它们存在于特殊晶体表面，展现出类似射线的超长程传播特性，在未来的片上光通信、量子信息处理和精密热管理等方面具有巨大潜力。然而，如何精确“驾驭”这些幽灵般的能量波，实现高方向性和超长传播距离的双重目标，一直是悬而未决的难题。
近期，由澳大利亚国立大学（ANU）的Yuen Ji Lu教授团队和威斯康星大学麦迪逊分校（UW-Madison）的Zongfu Yu教授团队领衔的国际合作研究，在顶尖光学期刊Light: Science & Applications上发表了一项突破性成果。他们巧妙地设计了一种不对称的三角形金微纳天线，并将其集成在方解石（Calcite）晶体表面。
DOI：https://doi.org/10.1038/s41377-025-01925-8
02核心突破
1. 精准“导航”能量流：研究团队通过精确调控天线的形状、尺寸和朝向，首次实现了对g-HPs特定模式的选择性激发。这意味着他们能够像精准的舵手一样，引导这些能量波主要沿着晶体表面特定的方向传播。实验和模拟都证实，三角形天线展现出了惊人的高方向性（方向性常数β高达4.35，即目标方向波强度是对向的4倍多），远超传统的圆盘或矩形天线。
2. 打破传播距离纪录：更令人振奋的是，这种选择性激发策略解锁了g-HPs的超长传播潜能。利用散射式扫描近场光学显微镜（s-SNOM），研究人员直接观测到由三角形天线激发的g-HPs波前在方解石表面稳定传播了超过80微米（μm）！这不仅是该团队理论预测（最高可达~119.5μm）的有力验证，更是将此前同类研究的传播距离纪录（约20μm）提升了数倍，堪称纳米光学领域的一次重大飞跃。
03研究意义
1. 解决关键难题：成功解决了当前技术难以同时实现声子极化激元（PhPs）高方向性和超长传播距离的核心挑战。
2. 物理机制创新：揭示了利用天线几何形状（特别是物理边缘）进行极化激元模式选择性激发的物理机制（边缘辅助模式选择），为理解和操控复杂的光-物质相互作用提供了新视角。
3. 应用潜力巨大：超长距离、高度定向且低损耗的“幽灵光波”为中红外波段的多种前沿应用铺平了道路，包括：
片上光学通信：实现芯片内更高效、更远距离的光信号传输。
量子信息处理：为量子比特间长程相互作用和量子信息传输提供新载体。
高精度传感：增强传感器灵敏度和探测距离。
可控热辐射管理：在微纳尺度上更精确地操控热量传递。
4. 平台普适性强：研究中发展的天线设计和操控技术具有通用性，不仅适用于方解石，未来可扩展到其他具有光学各向异性的材料（如多种范德华材料）以及其他类型的极化激元模式，为设计新一代高性能纳米光子器件提供了强大工具。
简而言之，这项研究通过将“幽灵光波”理论与精巧的微纳结构工程相结合，实现了对这种特殊光波前所未有的精准操控，突破了传播距离的限制，为未来中红外光电子学和集成光子芯片的发展打开了充满机遇的大门。
图1：天线形状调控幽灵极化激元方向性
形状依赖的微纳天线用于非对称幽灵声子极化激元(g-HP)激发。
a-c 在激发频率ω=1460cm⁻¹下，天线（圆盘、矩形、三角形）激发的g-HPs的实验近场图像。
d-f 天线（圆盘、矩形、三角形）激发的g-HPs的模拟近场图像。
g-i a-c所示图像的傅里叶变换绝对值图，亮斑代表被激发的模式，白色箭头指示天线激发g-HPs的波矢（动量）。绿色箭头指示相应极化激元分支的能量流动方向/群速度V_g(i)。白色虚线曲线代表等频线(IFC)（左侧和右侧）。
图2：边缘辅助模式选择的物理机制
边缘辅助模式选择。
a 三角天线在不同激发频率下进行边缘辅助模式选择的示意图。蓝色、黑色、红色实线分别表示方解石在1430cm⁻¹、1460cm⁻¹、1490cm⁻¹处的等频线（IFC）。l₁是垂直于三角形AC边的直线（法线）。Mₑ₁是等频线（IFC）与直线l₁交点处的模式。Kₑ₁表示模式Mₑ₁对应的波矢。kᵢ表示入射波的波矢。
b 在激发频率ω=1430cm⁻¹下，三角形天线激发的石墨烯-声子极化激元（g-HPs）的近场振幅图像。
c 图b所示图像的傅里叶变换绝对值图像。mᵢ是直线lₜ与ω=1430cm⁻¹处等频线（IFC）的交点。
d 在激发频率ω=1460cm⁻¹下，三角形天线激发的g-HPs的近场振幅图像。三角形内角δₜ= 43°，lₜ是垂直于三角形AC边的法线轴。
e 图d所示图像的傅里叶变换绝对值图像。M₁ₜ和M₂ₜ是天线在ω=1460cm⁻¹激发出的模式。Mᵢ是直线lₜ与ω=1460cm⁻¹处等频线（IFC）的交点。
f 通过调节三角形天线尺寸在边界处实现边缘辅助模式选择的示意图。黑色实线表示方解石在1490cm⁻¹处的等频线（IFC）。绿色、红色和蓝色三角形表示三个具有不同内角δ=δ₁,δ₂,δ₃的独立三角形。l₁,l₂,l₃是分别垂直于每个三角形AC边的三条法线。Mₑ₂,Mₑ₃是等频线（IFC）分别与l₂,l₃交点处的两个模式。Kₑ₂和Kₑ₃分别表示模式Mₑ₂和Mₑ₃对应的波矢。
g 对于具有更大内角（δₜ= 60°）的三角形天线，在激发频率ω=1460cm⁻¹下激发的g-HPs的近场振幅图像。
图3：天线旋转调谐极化激元分支
基于微纳天线旋转角度(σ)的边缘辅助模式选择。
a-d 在旋转角度σ=0°、30°、60°、90° 下，天线激发的石墨烯-声子极化激元(g-HPs)的实验近场振幅图像。lᵤ₁和lᵤ₂分别是旋转角度σ=30°、60°的三角形BA物理边的法线轴（垂直线）。
e-h 在旋转角度σ= 0°、30°、60°、90°下，天线激发的g-HPs的模拟近场振幅图像。
i-j 图(b)和(c)所示图像的傅里叶变换绝对值图像。黄色AB线代表三角形的AB物理边。
图4：选择性激发实现80微米长程传播
通过不同形状微纳天线显著增强石墨烯-声子极化激元（g-HPs）的传播长度。
a 在频率1460cm⁻¹下，计算得到的单个偶极子和一个由N=51个偶极子组成的偶极子阵列（间距d=0.04λ₀，阵列方向与位kₓ =-1.604k₀,kᵧ=-0.648k₀的g-HP模式匹配）激发的g-HP波的模拟对比图。所有偶极子源的取向均为z方向。
b 沿图(a)中绿色虚线所示的|E_z|线剖图。
c 在动量空间中可视化的、位于等频线（IFC）上的g-HP模式的传播长度（在频率1460cm⁻¹下计算）。传播长度已使用真空中的波长λ₀ 进行归一化。
d 具有更大扫描区域（50×25μm）的盘形纳米天线的实验近场结果。
e 相对于x轴成25°角的盘形纳米天线的线剖图数据。深红色圆点代表实际线剖图数据，紫色线为补充说明5中所述的正弦阻尼拟合函数，其衰减常数为1.579×10⁵m⁻¹。
f 内角δ=55°、扫描区域为70×50μm的三角形微天线的实验近场结果。
g 图f中三角形微天线相对于x轴成25°角的线剖图。蓝色圆点代表实际线剖图数据，深蓝色线为正弦阻尼拟合函数（公式 (S21)），其衰减常数为1.44×10⁴m⁻¹。图e和g中的误差棒代表拟合不确定性。
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