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【成果介绍】
范德瓦尔斯材料是一类具有优异物理性质的二维材料，由于其在纳米尺度上实现光的约束和控制的潜力，近年来成为了研究热点。这些材料通过层状结构中的范德瓦尔斯相互作用堆叠，展示了超低损耗、高品质因子和长极化子寿命等特性，特别适合作为极化子的平台。极化子是光-物质的混合准粒子，能够在纳米尺度上实现光的高效控制，这为开发新型光学器件提供了巨大潜力。然而，目前的范德瓦尔斯材料在实际应用中仍面临一些挑战，例如如何在较大面积上制备高质量的异质双晶结构，以及如何系统地研究这些结构中的极化子行为。
有鉴于此，美国布鲁克海文国家实验室Lukas Wehmeier, Mengkun Liu教授、美国斯坦福大学Jonathan A. Fan教授合作在“Advanced Materials”期刊上发表了题为“Tunable Phonon Polariton Hybridization in a Van der Waals Hetero-Bicrystal”的最新论文。他们提出了利用六方氮化硼（hBN）和α相三氧化钼（MoO
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）构建异质双晶的研究方案。hBN和MoO
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因其优异的极化子特性成为了研究的理想选择。通过将这两种材料堆叠并形成异质双晶，研究者们能够探讨新型极化子行为，包括负极化子折射、闭环光轨迹、极化子能级排斥和避免模式交叉等现象。特别地，这些异质双晶在极化子色散中出现的新光谱间隙引起了广泛关注，这种间隙源于极化子能级排斥和强模式耦合。
在系统的理论和实验研究中，研究人员通过调节异质结构的厚度比，发现了极化子间隙的位置和宽度可以显著变化。这一发现不仅得到了同步辐射红外近场纳米光谱技术（SINS）的实验验证，还通过解析模型和全3D数值计算得到了进一步的支持。此外，研究还揭示了负折射腔模式的光学特征和由微尺度双晶的有限尺寸效应引起的极化子腔模式。
这些研究成果表明，hBN-MoO
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异质双晶在极化子调控方面具有巨大潜力，并为未来开发可调超透镜和新型范德瓦尔斯材料组装方法提供了重要的科学基础。研究人员建议，未来的工作可以进一步优化火焰气相沉积工艺，以实现更高效的异质双晶制备和表征。
【研究亮点】
1. 实验首次展示了通过调节范德瓦尔斯异质结构的厚度比，可以明确调节极化子间隙的位置和宽度。作者观察到，随着hBN和MoO
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层厚度比的变化，极化子色散中的光谱间隙位置和特征可以被精确控制。
2. 作者测量到了在极化子带隙内的负折射腔模式的光学特征。与传统基于石墨烯等离子体极化子的负折射机制不同，作者的工作利用的是低损耗的声子极化子模式，而非依赖于掺杂的等离子体效应。
3. 作者分析了双晶系统的有限尺寸效应，探索了由此引起的禁忌极化子模式和极化子法布里-珀罗腔模式。这些发现不仅通过解析和完整的3D数值计算得到验证，还捕捉到了实空间中复杂的现象，这些现象简单的Im(rp)计算无法涵盖。
【图文解读】
图1：hBN-MoO
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异质双晶的极化子色散关系。
图2.
沿MoO
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[001]方向的异质双晶的SINS超光谱线扫描。
图3. 沿MoO
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[100]方向的hBN-MoO
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双晶腔模式。
图4：通过改变hBN-MoO
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厚度比率来沿MoO
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[001]方向进行双晶的负折射和光谱间隙调谐。
图5. 有限尺寸双晶的3D数值模拟。
【结论展望】
本文的深入探索范德瓦尔斯材料（如hBN和MoO
3
）在极化子光子学中的应用潜力。首先，通过调节异质双晶的层厚比例，作者展示了可以精确调控极化子间隙的位置和宽度，这为设计定制化光学器件提供了新的策略。其次，利用同步辐射红外纳米光谱技术（SINS），作者成功探测到了极化子带隙内的负折射腔模式，这些模式的光学特性能够随着层厚比例的变化而调节，显示出异质双晶在光子学调控中的重要应用前景。
此外，实验还揭示了由双晶系统有限尺寸效应引起的禁忌极化子模式和极化子法布里-珀罗腔模式，这些复杂现象通过全三维数值计算得到了进一步验证，深入理解了实空间中的光-物质相互作用机制。综合而言，本文的研究不仅为范德瓦尔斯材料在极化子光子学领域的应用提供了新的视角和理论支持，还为开发高效能、高精度光学设备和传感器奠定了坚实的实验基础。
文献信息：
L. Wehmeier, S.-J. Yu, X. Chen, R. A. Mayer, L. Xiong, H. Yao, Y. Jiang, J. Hu, E. Janzen, J. H. Edgar, X. Zheng, T. F. Heinz, D. N. Basov, C. C. Homes, G. Hu, G. L. Carr, M. Liu, J. A. Fan, Tunable Phonon Polariton Hybridization in a Van der Waals Hetero-Bicrystal. Adv. Mater. 2024, 2401349. https://doi.org/10.1002/adma.202401349
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