文章名稱：High-quality nanocavities through multimodal confinement of hyperbolic polaritons in hexagonal boron nitride

期刊名稱：Nature Materials IF 37.2

DOI：https://doi.org/10.1038/s41563-023-01785-w

　　【引言】

　　在過去的幾十年中，將光限制在深亞波長體積內(nèi)一直是納米光子學(xué)研究中的核心問題。納米腔的創(chuàng)新性設(shè)計(jì)使得光被限制在極小的亞波長體積內(nèi)，即使是單個(gè)發(fā)射體也能與腔極化子發(fā)生強(qiáng)耦合。此外，納米腔的耦合強(qiáng)度可以變得非常大，達(dá)到超強(qiáng)耦合和深度耦合的程度，這一現(xiàn)象對(duì)傳統(tǒng)的光-物質(zhì)相互作用的攝動(dòng)理論提出了挑戰(zhàn)。此外，具有強(qiáng)烈空間變化場的腔體有望獲得超輻射量子相的產(chǎn)生。因此，創(chuàng)造具有深波長模態(tài)體積的腔體不僅是推動(dòng)基礎(chǔ)物理研究的關(guān)鍵，而且為量子化學(xué)、物質(zhì)操控等一系列應(yīng)用領(lǐng)域提供了新的可能。然而，將光壓縮至納米尺度所付出的代價(jià)是巨大的。高吸收損失幾乎是所有現(xiàn)有納米腔設(shè)計(jì)都無法回避的問題，尤其是基于金屬或半金屬材料的腔體。

　　為了解決品質(zhì)因子在納米腔體中較低的問題，西班牙巴塞羅那科學(xué)技術(shù)研究所的相關(guān)課題組提出了一種新的光學(xué)多模態(tài)限制機(jī)制。通過制造同位素純六方氮化硼的納米腔體，并利用Neaspec公司的neaSCOPE納米光譜與成像系統(tǒng)對(duì)材料進(jìn)行了不同頻率的納米級(jí)精度表征，實(shí)現(xiàn)對(duì)納米腔體和多模態(tài)納米腔體MEC性能的評(píng)估，結(jié)果發(fā)現(xiàn)限域提升了幾個(gè)數(shù)量級(jí)，珀塞爾因子超過108，品質(zhì)因子在50到480的范圍內(nèi)，這些數(shù)值已接近六方氮化硼極化子的固有品質(zhì)因子。相關(guān)研究以《High-quality nanocavities through multimodal confinement of hyperbolic polaritons in hexagonal boron nitride》為題，發(fā)表于SCI期刊《Nature Materials》上。

　　neaSCOPE是德國neaspec公司推出的全新一代散射式近場光學(xué)顯微鏡（簡稱s-SNOM）。設(shè)備基于散射式核心設(shè)計(jì)技術(shù)，不依賴于入射激光的波長，很大程度上提高了光學(xué)分辨率，能夠在可見、紅外和太赫茲光譜范圍內(nèi)，提供優(yōu)于10 nm空間分辨率的光譜和近場光學(xué)圖像。neaSCOPE同時(shí)支持s-SNOM功能與納米紅外（nano-FTIR）、針尖增強(qiáng)拉曼（TERS）、超快光譜（Ultrafast）和太赫茲光譜（THz）進(jìn)行聯(lián)用，實(shí)現(xiàn)高分辨光譜和成像。由于其高度的可靠性和可重復(fù)性，neaSCOPE已成為納米光學(xué)領(lǐng)域熱點(diǎn)研究方向的優(yōu)選科研設(shè)備，在等離子激元、二維材料聲子極化、半導(dǎo)體載流子濃度分布、生物材料紅外表征、電子激發(fā)及衰減過程等眾多研究方向得到了許多重要科研成果。

neaSCOPE納米光譜與成像系統(tǒng)

　　【圖文導(dǎo)讀】

圖1. 文獻(xiàn)中的納米腔體和多模態(tài)納米腔體（MECs）。a)各種納米腔體的品質(zhì)因子對(duì)比圖。b)MECs的界面示意圖。c) 在動(dòng)量空間中的等頻率線，黑色點(diǎn)標(biāo)示了聲子極化子（PhP）本征模態(tài)，包括了hBN中的A0、A1，以及在金屬基板上的M1。d)當(dāng)光線射到一個(gè)金屬角或在角后約10納米處的模擬結(jié)果。

圖2.納米空腔的近場測量結(jié)果。a）不同頻率條件下，使用Neaspec測量一個(gè)方形MEC的SNOM信號(hào)結(jié)果。b）頻率掃描的模擬和測量結(jié)果。c）測量的相位作為腔體寬度的結(jié)果。

圖3.納米腔體的限域效果。a)Q因子與腔體寬度之間的測量與模擬結(jié)果。b)600 nm x 600 nm面積腔體的相應(yīng)光譜。c) 在一個(gè)100 nm寬的溝槽腔中，利用25 nm厚薄片進(jìn)行的半解析損耗計(jì)算的結(jié)果。

圖4.多模態(tài)反射。a) 使用掃描近場光學(xué)顯微鏡（SNOM）測量的600 nm×600 nm MEC的第四諧波信號(hào)。b) MEC腔體（上）和反向腔體（下）的模擬電場截面（上：f =1497cm^-1，下：f=1393cm^-1）。c)納米光線反射示意圖。

　　【結(jié)論】

　　綜上所述，研究人員所制備的MEC在保持一定的品質(zhì)因數(shù)的前提下，諧振器的體積實(shí)現(xiàn)了數(shù)量級(jí)的縮小。這一高品質(zhì)MEC，對(duì)于后續(xù)制備納米器件有著深遠(yuǎn)的影響。此外，器件的小型化意味著珀塞爾效應(yīng)的巨大增強(qiáng)，有望成為光與物質(zhì)相互作用的研究平臺(tái)。

　　相關(guān)產(chǎn)品

　　1、neaSCOPE納米光譜與成像系統(tǒng)https://user.caigou.com.cn/view/ProductList.html