Nature Nanotechnology：氮化硼纳米管中的双曲回音壁声子极化激元

【导读】

        光-物质相互作用是光学的基础，推动了一长列突破性应用，包括纳米激光、纳米生物传感器、增强光学非线性和腔量子电动力学的探索。因此，研发新的光约束机制对于进一步增强光-物质相互作用至关重要，其强度可以用Q/Vm来量化，近似为质量因子Q与模式体积（用光波长归一化，V是光学体积）。探索具有高Q和超小模式体积的光模式并增加Purcell因子为增强光-物质相互作用提供了途径。

【成果掠影】

        纳米结构中的光限制产生增强的光-物质相互作用，从而广泛应用，包括单光子源、纳米激光器和纳米传感器，尤其是在红外区域纳米腔限制的极化激元显示出强烈增强的光-物质相互作用。如果将极化模式塑造成回音壁模式，则可以进一步增强这种相互作用，但迄今为止，纳米腔内的散射损失阻碍了对它们的观察。此项工作中，作者展示了六边形BN纳米管作为原子级光滑的纳米腔，由于其固有的双曲线色散和低散射损耗，可以维持声子-极化子回音壁模式。在光波长≈6.4μm和高达 的赛尔因子（Q/Vm）。BN纳米管有望成为实现一维、超强光-物质相互作用的重要材料平台，对紧凑型光子器件具有重要意义。

        中科院国家纳米科学中心杨晓霞团队将相关研究工作以“Hyperbolic whispering-gallery phonon polaritons in boron nitride nanotubes”为题刊登在期刊Nature Nanotechnology上。

【核心创新点】

• 通过AFM-IR和STEM-EELS直接观察BNNT中的HWG-PhP模式。
• 以BN纳米管作为原子级光滑的纳米腔，维持声子-极化子回音壁模式。

【数据概览】

图1 单个BNNT中的HWG-PhP。

图2 直接观察 HWG-PhP 模式。

图3 HWG-PhP模式的EELS定量表征。

图4 HWG-PhP模式在少层BNNT中的色散和Vm限制。

【成果启示】

        本项工作通过AFM-IR和STEM-EELS直接观察BNNT中的HWG-PhP模式，质量因子高达220。这些回音壁模式是通过将声子极化子限制在原子级光滑的圆柱形纳米腔（BNNT）中形成的，这种效应是由声子极化子的双曲性和无限波矢量实现的。此外，证明了HWG-PhP模式可以在约4nm半径的BNNT上维持，它表现出超小体积，揭示了前所未有的光学态局部密度水平，从而导致超高的赛尔因子，此项研究为基于一维纳米材料极化激元的纳米光子学提供了一种新范例，揭示了异常强大的光-物质相互作用能力，并在量子纳米光子学应用中具有巨大潜力。

 原文详情：https://doi.org/10.1038/s41565-023-01324-3