创造新纪录！科学家在纳米尺度上引导光线

研究者们提出一种创新的两步激发方法，能高效产生并清晰分离不同模式的双曲极化激元。

一个国际科学家团队研发出产生和操控被称为高阶双曲声子极化激元的极端局域光-物质波的新方法。利用该技术，研究人员实现了创纪录的波质量与传播距离。该方法还利用锐利边界产生"伪双折射"效应，使不同模式的波能按偏振态分离传导。

这项发表于《自然·光子学》的研究为构建支持快速信息处理和高灵敏度化学检测的纳米光学元件开辟了新途径。随着对更小型化高效光学电路的需求增长，极化激元日益成为研究焦点。这种当光与等离子体激元或声子等材料激发态强烈相互作用时产生的杂化态，可将光压缩至远低于其常规波长的维度，突破传统远场光学的限制。

纳米光伪双折射的示意图

由于需要远超标准单步激发技术所能提供的动量，最具局域性的高阶极化激元长期以来难以获取。来自上海交通大学、国家纳米科学中心的科研人员与西班牙CIC nanoGUNE和ICFO研究所的团队合作，设计了"动量助推双步激发"方案：首先通过光照纳米级金天线提供初始动量，在单晶金基底上的平滑双轴α相三氧化钼晶体板产生基础零阶双曲声子极化激元；当极化激元传播至金层边缘时，在基底突然截断、晶体延伸至空中的尖锐边界处发生散射，转化为高阶声子极化激元。

论文通讯作者Rainer Hillenbrand教授解释："边界散射为零阶极化激元提供了激发高阶模式所需的大幅动量增强，这种双步法相比传统单步激发技术显著提升了效率。"增强的激发效率与超平滑、低损耗的空气悬浮三氧化钼晶体板相结合，使团队观测到具有空前质量的高阶极化激元，实现了约45的品质因数与长传播距离。

这项技术最引人注目的成果是团队所称的"伪双折射"现象：在金-空气锐利边界处，不同极化激元模式在保持偏振态的同时发生空间分离。基础模式与高阶模式以不同角度弯曲，沿完全不同的方向传播。共同通讯作者Qing Dai教授表示："我们在纳米尺度为光建造了交通控制器。这种分离不同阶双曲极化激元的能力是设计超紧凑光子电路的新工具，它类似某些晶体的双折射效应，但无需改变光偏振态且强度高出十倍以上。"

这种强大的模式分选效应可用于模式分割复用技术——通过不同波形在单个纳米波导中传输多个独立数据流，大幅提升信息处理能力。其他潜在应用包括新型光学滤波器、波片及高灵敏度片上生物传感器。该研究为纳米尺度光操控提供了基础平台，对未来纳米光子学、片上通信和信息处理技术具有深远影响。

相关链接：https://www.nature.com/articles/s41566-025-01755-5