研究前沿：太赫兹表面声子极化激元PhPs-Hyperlensing | Nature Materials

（引子：表面声子极化激元可出现在极性介质材料的剩余射线带Reststrahlen Band（RB），即横向光学声子（TO）与纵向光学声子（LO）之间的频率范围，在该频率范围内，即介电常数实部在不同晶轴方向上符号相反，介电常数实部为负（ε < 0），材料的横向与纵向介电响应分别为正与负（或反之），从而导致其色散曲面呈双曲形态，支持极化激元的定向传播与强局域。）

将电磁辐射限域在亚波长尺度范围，取决于光-物质的强相互作用。在红外和太赫兹光谱范围内，声子极化激元通常用于实现深度亚衍射光场限域，相比于等离子体激元，这种光学模式提供低得多的损耗。其中，各向异性材料中的双曲声子极化激元，为光场限域confinement提供了很有前景的平台。

近日，维尔范德比尔特大学Joshua D. Caldwell教授团队以及弗里茨·哈伯研究所 Alexander Paarmann 团队合作在Nature Materials上发文，报道了在太赫兹光谱范围内，限域因子超过λ0/250的铪基二硫族化合物中，实现了超压缩声子极化激元。

这些化合物中，光-物质耦合强度和HfSe2的自然双曲特性，使深亚波长薄膜中的这种极端光压缩成为可能。这一发现强调了光-物质耦合对极化激元限域的作用，对于极性电介质中的声子极化激元，这是由横向-纵向光学声子能量劈裂决定的。

研究表明，过渡金属二硫属元素化物是太赫兹纳米光子应用的有利平台。也揭示了光-物质耦合强度对极化激元局域能力的关键作用，为高性能太赫兹成像、传感和量子调控器件提供了新材料基础，极大拓展了极化激元材料在远红外频段的应用前景。

第一作者：Ryan A. Kowalski, Niclas S. Mueller

通讯作者：Alexander Paarmann & Joshua D. Caldwell

通讯单位：维尔范德比尔特大学，德国弗里茨·哈伯研究所

Ultraconfined terahertz phonon polaritons in hafnium dichalcogenides.

二硫属元素化铪中，超压缩太赫兹声子极化激元。

图1:太赫兹声子极化激元phonon polaritons，PhPs的实空间成像。

图2:薄膜极化激元的限域和色散。

图3:太赫兹hyperlensing的高度次衍射成像。

图4:中红外和太赫兹极性电介质的光-物质耦合强度。

在二硫化铪（HfS₂）和二硒化铪（HfSe₂）中，观测到超局域太赫兹声子极化激元（PhPs），局域因子超过λ₀/250，创下该频段新纪录。采用机械剥离法制备纳米级薄片，利用自由电子激光器（FEL）结合散射型扫描近场光学显微镜（s-SNOM）进行实空间成像，成功捕捉到极化激元的传播行为，并通过hyperlensing结构实现亚衍射极限成像。

特性

Metalenses (超透镜)

Hyperlensing (超透镜成像)

工作原理波前相位调控材料内射线传导物理基础

人工纳米结构（超原子）的光散射和共振，产生局域相移。

材料本征的双曲型色散关系，支持高动量极化激元以射线形式传播。

核心机制

通过Huygens–Fresnel原理，使入射光在通过透镜表面时产生预设的相位分布，聚焦或成像。

利用双曲材料将隐失场（携带亚波长信息）转换为传播波，并在材料内部传导和放大。

材料平台

人工设计的纳米天线阵列 （如硅、氮化镓柱，或金属V形天线）构成。

天然或合成的体材料（如HfSe₂, hBN, α-MoO₃），双曲特性是材料本身的属性。功能聚焦、成像像差校正产生涡旋光等，旨在替代传统透镜超衍射极限成像，主要用于放大和分辨亚波长特征光场状态

主要在自由空间中操控传播光。

主要在材料内部激发表面或体极化激元。

典型结构平面的、超薄的二维阵列。体材料或薄膜，需要一定的厚度来支撑射线传播。目标制造超薄、轻量、多功能的平面光学元件，以取代传统笨重的曲面透镜，实现光学系统的小型化和集成化。突破衍射极限，实现对纳米尺度物体的超分辨率成像和探测，特别是在中红外和太赫兹等长波段。类比

由无数个微型天线组成的平面相位板。

为隐失场打造的内部“光纤”或“波导”网络，能将它们“运送”到远处。

文献链接

Kowalski, R.A., Mueller, N.S., Álvarez-Pérez, G. et al. Ultraconfined terahertz phonon polaritons in hafnium dichalcogenides. Nat. Mater. (2025).

https://doi.org/10.1038/s41563-025-02345-0

本文译自Nature。

来源：今日新材料

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