科学家用全电方式驱动声子极化激元波，为制造红外光源提供新思路

近期，美国纽约市立大学郭秋实助理教授与美国耶鲁大学夏丰年教授等人合作，在石墨烯-六方氮化硼范德瓦尔斯异质结构中，首次观察到双曲声子极化子（HPhPs，Hyperbolic Phonon-Polaritons）的电致发光现象。

这一发现具有重要意义：

首先，通过纯电学方式激发声子极化激元波，突破了传统光学激发方式的限制。

其次，该研究为开发电泵浦、可调谐的中红外和太赫兹声子极化激元激光器提供了全新的技术思路。

此外，这项成果还为电子设备的高效冷却开辟了新途径，有望解决电子器件散热的关键难题。

审稿人对该研究评论道：“该工作展示了对双曲声子极化激元电致发光现象的直接观测证据。本项实验工作扎实，实验结果与所附的理论分析高度一致。此研究结果很有趣，是此类异质结构中新奇物理机制的一个典型范例。”

近日，相关论文以《石墨烯-六方氮化硼范德瓦尔斯异质结构中的双曲声子极化激光电致发光》（Hyperbolic phonon-polariton electroluminescence in graphene-hBN van der Waals heterostructures）为题发表在Nature[1]。

郭秋实和美国加州理工学院博士后研究员伊利亚·埃辛（Iliya Esin）是共同第一作者兼共同通讯作者，耶鲁大学李程博士是共同第一作者，耶鲁大学夏丰年教授担任共同通讯作者。

光根据波长可分为不同的电磁波段，每个波段都有其独特的用途，如可见光、近红外光、短、中波红外光以及长波红外光等。

其中，长波中红外光能够与分子发生共振，并通过共振峰的位置判断未知分子的化学键类型（如 C-O、C-H、C-N 键等），在生物传感和环境监测中具有重要意义。

但问题在于，长波中红外光的波长较长，大约在 10 到 20 微米，而分子的尺寸通常在 1 到 10 纳米之间。由于两者之间的尺度差异巨大，导致它们之间的相互作用非常微弱。

为了解决这一问题，需要将长波长的光压缩到更小的尺度，以增强光-分子耦合。然而，光的衍射极限限制了对其进一步压缩的能力。

声子极化激元（PhPs，Phonon-polaritons）提供了一种可能的解决方案：它由光子与极性介质中的光学声子相干耦合产生，能够将 10 微米的光压缩到 10 纳米甚至更小的尺度。这一特性在纳米光学领域极具应用潜力，例如制造微型红外光芯片或将光压缩到超薄材料中。

然而，声子极化激元的应用也面临着一些挑战。首先，声子极化激元的传播损耗较大，导致其传播距离受限。其次，传统的声子极化激元激发方式效率较低，且需要昂贵的设备支持，例如近场光学扫描显微镜等。

这项研究起源于郭秋实在耶鲁大学读博期间，基于电子工程的背景，他提出了一种创新的设想：是否可以像半导体激光器或 LED 那样，通过注入电流或施加电压在芯片上直接激发声子极化激元？如果这样的电驱动方法存在，能否进一步利用它补偿声子极化激元的传播损耗，甚至实现对声子极化激元的放大？

为了验证这一想法，他尝试了多种方法，例如制备隧穿结等，但效果都不理想，理论计算也显示效率很低。因此，这项研究一度被搁置。

直到一天，课题组成员无意间看到的一篇关于六方氮化硼（hBN，hexagonal boron nitride）/石墨烯异质结构的文献，为这项研究带来了转机。该文献报道了一种很有趣的现象：当对石墨烯两端施加较高电压时，石墨烯的电流饱和现象非常明显。

郭秋实说道：“通常情况下，金属导体两侧电压增高，通过金属导体的电流也会随之持续增大。但在这个实验中，当电压增加到一定程度后，石墨烯中的电流就基本不再变化。”

这一现象引起了研究人员的好奇：是什么导致了石墨烯中的电流饱和？经过仔细阅读相关文献，他们发现，这是由于石墨烯中的电子与 hBN 的晶格振动（声子）之间的散射作用。

他们进一步推测，既然 hBN 能够支持 HPhP 模式的传播，那么石墨烯中被外加电场加速的电子是否也有可能与双曲声子极化激元发生散射？

然而，观测双曲声子极化激元的散射过程并不容易。由于双曲声子极化激元这种电磁波具有很高的动量，它们只能在 hBN 材料内部传播，难以高效地散射到自由空间中。

为了验证这一猜想，郭秋实和李程设计了一套实验：他们在 hBN 上制备了金属微盘，这些金属微盘能将 hBN 中的双曲声子极化激元散射模式到自由空间中，并用红外光谱仪探测。

实验结果表明，当在石墨烯两端施加电压后，石墨烯中被加速的电子确实能够与 hBN 中的双曲声子极化激元发生强烈的散射，并且能够以长波红外光的形式辐射出来。

另外，通过变温实验和对照实验，研究人员发现，双曲声子极化激元的辐射强度和样品温度并没有明显关联。这和传统的黑体热辐射强度随样品温度升高而升高的特性截然不同。

这项研究提供了一种通过纯电学的方式激发声子极化激元的新方法，以解决声子极化激元的激发问题。该技术有望应用于制造纳米尺度下的长波红外和太赫兹光源，使这些光学器件的大小能够与电学晶体管相媲美。

目前，该研究已经证明了声子极化激元的自发辐射过程。然而，如何实现声子极化激元的受激辐射和净增益仍是一个关键的问题。在后续的研究中，研究人员将围绕产生增益展开研究。

郭秋实一直在思考：如果将石墨烯换成其他材料，是否会更高效地产生声子极化激元并实现增益？若能在声子极化激元传播方向引入增益，未来或许可以用它来制造基于声子极化激元的纳米光学链路，或者制造用电激发的声子极化激元激光器。

此外，该发现还为电子器件散热提供了一种新途径。“我们已经证明了在石墨烯中，电子在较大电流驱动时能够激发 hBN 中的双曲声子极化激元。这意味着电子在该过程中会损失大量多余能量，并且直接以光的形式将多余能量辐射出来。如果将该机制应用到硅和三五族半导体晶体管中，有望通过开发高效的热管理技术，解决 CMOS、射频或功率半导体器件的散热瓶颈。”郭秋实说。

参考资料：

1.Guo, Q., Esin, I., Li, C. et al. Hyperbolic phonon-polariton electroluminescence in 2D heterostructures.Nature639, 915–921 (2025). https://doi.org/10.1038/s41586-025-08686-9

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