导读

近日，针对精确调控幽灵极化子的挑战，澳大利亚国立大学的卢岳瑞教授研究团队与威斯康星大学麦迪逊分校的喻宗夫教授研究团队合作，提出一种创新方案。通过在方解石表面制备微米级三角形纳米天线，有效克服了幽灵极化子波激发与定向传输的技术瓶颈，将传输距离由20微米延伸至80微米，实现四倍提升。借助扫描近场显微镜（s-SNOM）的超高分辨率成像，充分验证了这一突破性成果。该成果丰富了声子极化子理论，推动了纳米光控技术的发展，为相关领域的深入研究提供了坚实基础。

相关成果在国际顶尖光学期刊《Light：Science & Applications》发表，题为“Long-propagating ghost phonon polaritons enabled by selective mode excitation”。

行业背景

在信息技术飞速发展的今天，如何在纳米尺度上实现对光能的精确操控已成为突破技术瓶颈的关键。光与特定晶体材料中晶格振动（声子）相互作用后形成的“声子极化子”，是一种兼具光子和声子特性的混合波，为开发高速计算、片上光通信和高灵敏传感等前沿技术提供了崭新思路。近年来，研究进一步发现，在常规声子极化子体系中存在一种特殊模式——“幽灵”极化子，该波在天然方解石晶体内部沿特定方向传输，展现出定向传播的优势，从而为突破传统局限开辟了新方向。

技术难点与挑战

虽然幽灵极化子较常规声子极化子在传输效率和传播距离上具备独特优势，但其精准激发与有效引导仍面临两个方面的重大挑战：一是“控制难”，在纳米尺度下各种激发模式复杂交织，如何精确选择并激活目标模式成为亟待解决的问题；二是“损耗大”，极化子在传输过程中仍存在不可忽视的高能量损耗问题，致使有效传输距离往往被限制在数微米的量级。这些问题制约了声子极化激元技术在实际微纳光子器件中的广泛应用。

团队的创新策略

针对精确调控幽灵极化子的挑战，澳大利亚国立大学与威斯康星大学麦迪逊分校的研究团队提出了一种创新方案。该方案利用在天然方解石晶体的表面制造特定几何形状的金质纳米天线。这些微米级天线能够将入射激光高效转化为特定方向传播的低损耗幽灵极化子，从而实现对其激发与传播过程的精准调控。

图1. 借助纳米天线激发特定传播方向的幽灵极化子

研究创新与亮点

该研究的关键创新在于通过结构工程手段，实现了对幽灵极化子前所未有的操控能力：

1. 纳米天线精准定向激发

（1）天线结构优化：研究团队采用了不对称三角形金质纳米天线。普通的圆形天线会将光能向各个不同模式散射。相比之下，特殊设计的三角形天线利用其特定角度的边缘，大幅增强了入射光与晶体表面极化子模式之间的耦合，从而实现对幽灵极化子波能量的定向激发。

（2）定向控制原理：这种天线类似微型“定向镜”，能够将入射激光能量准确导向预设方向，使得激发出来的幽灵极化子波沿着特定的路径传输。

（3）参数调控机制：通过精细调节天线的形状、尺寸及其相对于晶体主轴的旋转角度，可灵活调控波束的发射角度和方向，实现多变条件下高效且精准的能量传输，从而突破传统设计的局限性。

2.模式选择与超长程传输

（1）选择性激发机制：通过设计天线的边缘形状，使其能够优先激发损耗低、寿命长的幽灵极化子模式，有效抑制能量的快速衰减，显著延长了有效传输距离。

（2）实验验证：借助散射式扫描近场光学显微镜（s-SNOM）技术，研究团队可以对样品表面的电场分布进行高分辨率成像。观察结果表明，三角形天线激发的幽灵极化子波在方解石表面的传播距离超过80微米，相较于以往实验数据提高约四倍，验证了设计方案的卓越效能。

（3）理论与实践契合：理论计算表明，在特定传播方向上，幽灵极化子波的传输距离有望超过100微米，实验数据与理论预测高度吻合。

图2. SNOM显微镜探测结果，左边是三角形天线，黑色虚线处的信号强度在左下方展示。曲线拟合表明，三角形天线激发的极化子传播长度可达82.3微米。作为对比，右边展示了圆形天线的效果。

图3. 理论预测不同极化子模式的传播长度，较低k模式的传播长度可以达到数十倍真空波长。右边展示了红色方框对应极化子模式的电场分布，沿着x方向向右传播。

应用前景与展望

本研究不仅在理论上预测了长程传播的幽灵极化子模式，实验上也借助纳米天线实现了对幽灵极化子的精准操控和远程传输。该技术所呈现的长程、定向能量传输特性，有望推动多个前沿技术领域取得突破：在高性能计算芯片散热上，可实现更高效的热管理；在量子信息技术中，为量子态远程传输和片上量子光学器件构建提供全新载体；同时，增强的光与物质相互作用有助于显著提升传感器的检测灵敏度。更为重要的是，该研究揭示的原理并不限于方解石体系，而是具有很强的普适性，有望推广至其他各向异性材料体系，为开发新一代高性能纳米光子器件奠定坚实基础。（来源：LightScienceApplications微信公众号）

相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41377-025-01925-8