浙江
突破光学材料局限！
传统双曲极化激元（hSPhPs）需依赖双曲晶体（其介电张量分量符号相反），这类材料的光学响应被限制在固定光谱范围且缺乏可调性，严重制约了其在负折射、超透镜及光电子集成等领域的应用潜力。
中国地质大学（武汉）戴志高教授、李国岗教授联合新加坡南洋理工大学胡光维博士、王岐捷教授合作在《自然》发表成果，首次在非双曲晶体钒酸钇（YVO₄）表面实现了长程双曲声子极化激元。研究者通过低温纳米成像技术，直接观测到该晶体在其非双曲频段（介电分量均为负）产生双曲波前，并利用温度调控（室温至低温）实现了极化激元色散的原位拓扑相变——从双曲态到沟道化态，最终过渡至椭圆态。这一突破不仅摆脱了对双曲晶体的依赖，还实现了低损耗、长程传播及波长与群速度的精准调控。
非双曲材料中的双曲表面模式
研究团队通过理论模型（图1a-b）和傅里叶变换红外光谱（图1c）证实：YVO₄晶体在800–950 cm⁻¹频段内介电分量（ε∥与ε⊥）均为负值，不符合传统双曲晶体定义。然而，数值模拟显示其表面可支持双曲极化激元：在890 cm⁻¹频率下电场呈椭圆波前（图1e），而900 cm⁻¹时转变为双曲波前（图1f）。快速傅里叶变换（FFT）谱（图1g-h）与理论等频线高度吻合，揭示了非双曲材料中双曲表面模式的物理基础。
图 1：块状非双曲材料表面的双曲表面声子极化激元。
实空间成像验证双曲特性
利用散射式近场光学显微镜（s-SNOM），团队在金盘纳米天线激发的YVO₄表面直接观测到极化激元波前动态变化：890 cm⁻¹时为椭圆波前（图2a），随频率升高逐渐过渡为双曲波前（图2c-e）。FFT分析（图2f-h）进一步证实其双曲色散特征，且开放角α随频率增加而减小（图2b），与理论预测一致。
图 2：非双曲材料中 hSPhPs 的真实空间成像。
温度驱动的原位拓扑相变
通过低温调控（220 K与150 K），YVO₄介电分量发生蓝移（图3a），导致双曲极化激元频段偏移。在220 K下，894 cm⁻¹频率呈椭圆波前（图3d），900 cm⁻¹时因色散平坦化出现沟道化传播（图3e），905 cm⁻¹时演化为双曲波前（图3f）；150 K下相同频率亦观察到类似相变（图3g-i）。这一现象首次实现了无需微纳加工的原位动态拓扑调控。
图 3：在非双曲材料中，hSPhPs 的本征拓扑转变和无衍射通道化，无需外部作。
低温增强传播性能
线扫描分析（图4a-c）显示：温度降低可显著增加极化激元波长（如894 cm⁻¹椭圆态波长随温度下降而增大）。低温还大幅提升传播距离——150 K时椭圆极化激元传播长度达59 μm（图4d），沟道化态达48 μm，归因于声子散射抑制带来的低损耗特性。群速度分析（图4e）进一步揭示温度对能量传输速率的调控能力。
图 4：hSPhPs 在非双曲材料中的温度依赖性传播特性。
应用前景与意义
该研究打破了"体相双曲色散是表面双曲模式的必要条件"的传统认知，将双曲纳米光学领域拓展至非双曲材料（如YVO₄、4H-SiC等）。温度调控机制为极化激元的波长、群速度及拓扑态提供了高灵敏度操控手段，有望推动负折射器件、平面超透镜、极化激元互联及高光谱传感等技术的发展。未来通过优化背景介电环境，可进一步拓展其在光子传感和动态控制系统中的应用潜力。
来源：高分子科学前沿
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