2025年2月28日，《Optica》在线刊发了陆培祥教授“强场超快光学”创新研究群体的一项国际合作成果《Observation of canalized phonon polaritons in a single α-MoO₃ flake》。王凯教授、陆培祥教授和南洋理工大学胡光维教授合作，首次在天然 α-MoO₃ 薄片中实现了声子极化激元的渠道化传输。

声子极化激元（PhPs）是极性电介质材料中光和集体原子晶格振动的杂化模式，具有很强的波长局域压缩能力，即在长波长范围的激发下可实现纳米尺度上的光-物质相互作用。值得注意的是，PhPs 可在特定方向上表现出强烈的定向能量输运特性，称为渠道化传输（Canalization）。在之前的研究中[Nature 582, 209–213(2020)；Nat. Nanotechnol. 17, 940–946 (2022)]，研究者已通过在堆叠 α-MoO₃ 薄片中的精确转角控制，以及石墨烯/α-MoO₃ 异质结构中化学掺杂的方式成功实现 PhPs 的渠道化传输。然而，这些渠道化模式的实现条件较为复杂和严苛，例如要求特定的堆叠扭转角，在窄频率范围内的石墨烯的精确掺杂以及复杂异质结构制备等。所以，如何简便的实现 PhPs 的渠道化传输是本领域亟待解决问题。

针对此难题，项目组发现天然 α-MoO₃ 单晶薄片在820–851cm⁻¹波段（即RB1和RB2重叠区域）具有极强的面内光学各向异性。理论计算表明，该频段内材料介电张量的实部 εₓ 和 εᵧ 均为负值，且 εₓ/εᵧ 比值高达数千，导致 PhPs 的等频线（IFCs）呈现极端扁平的开放双曲线形态；同时，α-MoO₃ 在 820cm⁻¹（x轴横向光学声子共振频率）附近时，极化激元波矢的虚部（对应传播损耗）反而显著降低，这说明在天然 α-MoO₃ 晶片中可以实现高质量的 PhPs 渠道化传输（图1）。

图1

为验证这一现象，项目组采用红外光诱导力显微镜（PiFM）对 160nm 厚的 α-MoO₃ 薄片进行近场纳米成像。通过调节激发光频率（830–870cm⁻¹），成功观测到了 PhPs 等频线的拓扑转变：即从开放双曲线到闭合椭圆线的动态调控（如图2）。当激发波数为 828cm⁻¹ 时，PhPs 沿晶体[100]方向（x轴）无衍射传播，横向波长压缩比高达 λ₀/80。

图2

该工作首次在天然 α-MoO₃ 单晶薄片中实现了高方向性、无衍射的 PhPs 渠道化传输，为有效操纵天然 vdW 材料中的 PhPs 提供了独特的机会，也为 PhPs 模式的动态调谐将提供了新的简便方法。因此，该工作为片上光子路由与可重构纳米器件设计提供了新思路，在各种功能平面光学中具有潜在的应用前景，如平面负反射，纳米级能量转移以及平面超透镜等。

该论文的通讯作者是王凯教授、陆培祥教授和南洋理工大学的胡光维教授，我校为第一完成单位。该工作是阿秒超快光学实验室在基金委创新研究群体项目支持下获得的又一重要进展。