新型层状材料成功将太赫兹光限制在纳米尺度

一项新研究成功利用新型层状材料将太赫兹（THz）光限制在纳米级尺寸，这一突破有望改进光电设备性能，如遥控器和夜视仪使用的红外发射器，以及物理安全和环境监测所需的太赫兹光学设备。

这项题为“Ultraconfined terahertz phonon polaritons in hafnium dichalcogenides”的研究成果发表在《自然·材料》期刊上。该研究由范德比尔特大学机械工程教授、跨学科材料科学研究生项目主任Josh Caldwell，以及弗里茨·哈伯研究所的Alex Paarmann与德国德累斯顿工业大学Lukas M. Eng教授合作主导。

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虽然太赫兹技术有望实现高速数据处理，但由于其波长较长，将其集成到紧凑设备中一直存在挑战。传统材料难以有效限制太赫兹光，限制了微型化发展的潜力。

研究团队采用由铪与硫、硒等硫族元素组成的层状材料二硫属化铪，通过利用声子极化激元（光子与晶体晶格振动耦合形成的一种准粒子），成功将超过50微米的太赫兹波长压缩至不足250纳米，实现了太赫兹光的极端限制。这一过程能量损失极小，为开发更高能效的太赫兹设备铺平了道路。

Caldwell解释道："合作研究员Artem Mishchenko对此作了一个生动比喻：这种超过200倍的光波压缩，相当于将海洋波浪限制在一个茶杯中。"

该团队的合作研究重点聚焦于光与物质在纳米至原子尺度的相互作用、其对非线性光学的影响，以及这些变化与块体材料的差异。这涉及在光谱域（主要是红外线）利用极化激元实现亚衍射限光约束、纳米级光学元件的设计，以及新型光学、电光和电子材料的识别与表征。

Caldwell透露："这项研究最初是一名高中生的暑期项目，但很快扩展为对前所未有光学限制水平的激动人心的观测。"该研究源于柏林FHI、范德堡大学与德累斯顿工业大学之间的长期合作，使用了恩格课题组在德国亥姆霍兹德累斯顿罗森多夫研究中心FELBE自由电子激光用户装置上搭建的近场光学显微镜终端站。过去15年间，该终端站一直作为用户实验室由德累斯顿工业大学与HZDR共同开发和维护。

德累斯顿工业大学的Lukas M. Eng表示："探索通过声子极化激元（如二硫属化铪中的极化激元）实现超高太赫兹光压缩，需要借助HZDR自由电子激光器中近场显微镜的极致纳米级成像能力。"

此项成果有望推动超紧凑太赫兹谐振器和波导的开发，这对环境传感和安全成像应用至关重要。将这些材料集成到范德瓦尔斯异质结构（通过垂直相互作用较弱的二维材料堆叠而成的结构）中，可进一步增强二维材料的研究能力，为纳米级光电集成提供新机遇。

研究人员表示，该研究不仅凸显了二硫属化铪作为太赫兹应用平台的潜力，还为通过超强甚至深强光-物质耦合探索新物理现象奠定了基础。研究结果表明，未来通过高通量材料筛选或可发现更高效的太赫兹技术材料，推动这一关键领域的创新。

Paarmann强调："我们在二硫属化铪方面的研究展示了如何突破太赫兹技术的边界， potentially 为光电集成方法带来变革。"

相关链接：https://dx.doi.org/10.1038/s41563-025-02345-0