Nature Nanotechnology：氮化硼納米管中的雙曲回音壁聲子極化激元

【導讀】

? ? ? ? 光-物質相互作用是光學的基礎，推動了一長列突破性應用，包括納米激光、納米生物傳感器、增強光學非線性和腔量子電動力學的探索。因此，研發新的光約束機制對于進一步增強光-物質相互作用至關重要，其強度可以用Q/Vm來量化，近似為質量因子Q與模式體積（用光波長歸一化，V是光學體積）。探索具有高Q和超小模式體積的光模式并增加Purcell因子為增強光-物質相互作用提供了途徑。

【成果掠影】

? ? ? ? 納米結構中的光限制產生增強的光-物質相互作用，從而廣泛應用，包括單光子源、納米激光器和納米傳感器，尤其是在紅外區域納米腔限制的極化激元顯示出強烈增強的光-物質相互作用。如果將極化模式塑造成回音壁模式，則可以進一步增強這種相互作用，但迄今為止，納米腔內的散射損失阻礙了對它們的觀察。此項工作中，作者展示了六邊形BN納米管作為原子級光滑的納米腔，由于其固有的雙曲線色散和低散射損耗，可以維持聲子-極化子回音壁模式。在光波長≈6.4μm和高達?的賽爾因子（Q/Vm）。BN納米管有望成為實現一維、超強光-物質相互作用的重要材料平臺，對緊湊型光子器件具有重要意義。

? ? ? ? 中科院國家納米科學中心楊曉霞團隊將相關研究工作以“Hyperbolic whispering-gallery phonon polaritons in boron nitride nanotubes”為題刊登在期刊Nature Nanotechnology上。

【核心創新點】

• 通過AFM-IR和STEM-EELS直接觀察BNNT中的HWG-PhP模式。
• 以BN納米管作為原子級光滑的納米腔，維持聲子-極化子回音壁模式。

【數據概覽】

圖1 單個BNNT中的HWG-PhP。

圖2 直接觀察 HWG-PhP 模式。

圖3 HWG-PhP模式的EELS定量表征。

圖4 HWG-PhP模式在少層BNNT中的色散和Vm限制。

【成果啟示】

? ? ? ? 本項工作通過AFM-IR和STEM-EELS直接觀察BNNT中的HWG-PhP模式，質量因子高達220。這些回音壁模式是通過將聲子極化子限制在原子級光滑的圓柱形納米腔（BNNT）中形成的，這種效應是由聲子極化子的雙曲性和無限波矢量實現的。此外，證明了HWG-PhP模式可以在約4nm半徑的BNNT上維持，它表現出超小體積，揭示了前所未有的光學態局部密度水平，從而導致超高的賽爾因子，此項研究為基于一維納米材料極化激元的納米光子學提供了一種新范例，揭示了異常強大的光-物質相互作用能力，并在量子納米光子學應用中具有巨大潛力。

?原文詳情：https://doi.org/10.1038/s41565-023-01324-3