近日，中國地質大學（武漢）戴志高教授與新加坡南洋理工大學胡光維教授團隊在《Nature》期刊發表題為《Long-range hyperbolic polaritons on a non-hyperbolic crystal surface》的研究中，在非雙曲晶體釩酸釔（YVO?）中觀測到雙曲表面聲子極化激元（hSPhPs），突破了該現象僅存在于雙曲材料的傳統認知。研究發現，即使在介電張量分量ε⊥和ε∥均為負值的非雙曲頻段（895–905cm^-1），通過滿足特定表面波共振條件（﹣ε?＜ε⊥＜0且ε∥＜ε?²/ε⊥），仍可激發雙曲極化激元，這一現象通過neaspec 品牌的散射型近場光學顯微鏡（cryo-neaSCOPE, attocube systems GmbH）直接觀測到雙曲波前，其開口角α隨頻率增加從51°（898cm^-1）減小至33°（902cm^-1）。研究還實現了溫度驅動的光學拓撲相變，通過降溫（300K→150K）使極化激元從橢圓態（894cm^-1）經溝道化態（900cm^-1）轉變為雙曲態（905cm^-1），在150K下獲得59μm的超長傳播距離和0.076c的高群速度，性能遠超傳統雙曲材料。該發現不僅為納米光子學提供了新材料體系，其溫度調控機制更為可重構光子器件、高靈敏傳感和量子互連等技術開辟了新途徑，并在4H-SiC等材料中驗證了普適性，展現出跨領域的應用潛力。

研究背景

雙曲材料是一種典型的各向異性材料，其沿正交主軸的介電常數張量元素的符號相反。這些特征導致極化激元（即光與物質耦合混合形成的準粒子）具有雙曲色散特性，即極化激元波矢量k遵循雙曲等頻等值線。雙曲材料可以支持高波矢傳播波，具備亞波長尺度的光場調控能力，具有不同于傳統材料的獨特性質，近年來受到廣泛關注。

雙曲色散特性通常出現在雙曲材料的“剩余射線帶”（Reststrahlen band）內，即介電常數實部在不同晶軸方向上符號相反的頻率范圍內。在該頻段，材料的橫向與縱向介電響應分別為正與負（或反之），從而導致其色散曲面呈雙曲形態，支持支持極化激元的定向傳播與強局域。

目前，人們已經在天然雙曲材料六角氮化硼（hBN），α相三氧化鉬（α-MoO₃）中發現了雙曲極化激元（hyperbolic polaritons HPhPs）。雙曲色散特性使這些材料在超分辨成像、納米聚焦、負折射以及近場熱輻射調控等領域展現出巨大潛力，成為前沿光子器件與近場光學研究的優質平臺。

雙曲極化激元在材料表面實現光場極端壓縮，為高靈敏傳感、超分辨成像等應用提供關鍵支持。然而，現有研究均依賴人工雙曲超材料和天然雙曲材料（如金屬介質多層膜、六方氮化硼、三氧化鉬等介電常數異號體系），其雙曲特性僅存在于特定“雙曲頻段”（Reststrahlen帶）。能否在非雙曲材料中激發雙曲極化激元，并實現原位動態調控成為領域核心挑戰。

研究方法

極低溫（10K-300K）近場光學顯微鏡

低溫納米顯微技術（cryogenic nanoscopy）可實現散射型掃描近場光學顯微鏡（s-SNOM）、納米傅里葉變換紅外光譜（nano-FTIR）、針尖增強拉曼光譜（Tip-Enhanced Raman Spectroscopy、太赫茲時域光譜（THz-TDS）和超快瞬態光譜（pump probe ultrafast spectroscopy）在低至液氦溫區（10K）的實驗研究。該技術覆蓋了所有相關能量尺度范圍，可用于研究二維系統中的關聯電子效應、相變材料、電子輸運現象以及導電氧化物界面等基礎物理問題。

圖1. Neaspec品牌的低溫近場光學顯微成像與光譜系統cryo-neaSCOPE

低溫散射型掃描近場光學顯微技術（cryogenic s-SNOM）在閉環循環制冷系統帶來的強烈振動環境下，仍需要保持極高的干涉儀穩定性（即精確維持探針-樣品與參考光路之間的相對距離）。Neaspec研發的cryo-neaSCOPE能夠在極低溫條件仍然有良好的性能表現，其核心參數如下：

• 低溫下近場光學空間分辨率：低溫條件下10-30 nm

• 低溫樣品溫度控制范圍：10-300K

• 低溫下掃描區域范圍：25 μm×25 μm

• 低溫下AFM噪聲水平：優于0.1 nm

• 低溫條件下可調光學范圍：可見光、紅外至太赫茲

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圖2. 低溫近場光學顯微鏡內部光路、低溫原子力顯微鏡、高精度低溫位移臺設計示意圖

德國attocube公司研發了特殊的振動隔離系統，可在納米級精度范圍內保持所有s-SNOM光學元件之間的光程差穩定，從而即使在可見光波段也能實現高質量的干涉測量。其設計的雙面拋物鏡提供兩個光學端口，支持從太赫茲到紅外再到可見光的寬波段樣品檢測。結合頂部物鏡通道，該系統在低溫環境下（如太赫茲納米成像、泵浦-探測、寬場顯微術、共聚焦拉曼等）實現了最大程度關聯顯微技術靈活性。超低振動恒溫器還可實現與neaspec室溫系統相媲美的高質量低溫原子力顯微鏡（cryo-AFM）測量。

neaspec低溫s-SNOM系統采用非對稱邁克爾遜干涉儀設計，其特殊之處在于將低溫腔體集成于干涉儀的一個光路臂中。該低溫真空腔體內集成了聚焦光學系統、原子力顯微鏡（AFM）及樣品臺，可在室溫至9K的精確溫控范圍內工作。系統工作時，外部光源的光束被聚焦于AFM探針尖端 ——該探針同時作為光學天線，在其頂點處產生強局域光場熱點。通過近場相互作用，該熱點會調制探針散射特性，從而實現對樣品的納米級局域探測。其干涉檢測技術可無背景地記錄探針散射光的相位和振幅信息，這些參數直接關聯樣品的局部反射率與吸收特性。AFM系統超卓的熱穩定性支持對同一樣品區域進行重復成像，使得研究人員能夠監測溫度變化下樣品光學、電學或化學響應的演變過程，例如為金屬-介電相變等現象提供納米尺度的研究手段。

研究亮點

1. 發現非雙曲頻段的雙曲極化激元

團隊選擇四方晶系YVO4晶體作為載體（圖2）。實驗結果表明，即使在晶體的介電張量分量ε∥和ε⊥同為負值的非雙曲頻段，該材料表面仍可支持雙曲型聲子極化激元的傳播。界面處滿足特定的表面波共振條件（﹣ε1＜ε⊥＜0且ε∥＜ε12/ε⊥＜0），這使得電磁場僅沿一個方向傳播，在面內呈現雙曲型等頻輪廓。

圖3. 非雙曲材料釩酸釔晶體表面雙曲極化激元的近場實驗示意圖和釩酸釔晶體中雙曲極化激元實空間成像

通過散射型近場光學顯微鏡（s-SNOM）在895 – 905 cm-1頻段直接觀測到雙曲波前（圖3 c-e），其開口角α隨頻率增大而減小（898cm-1 時α=51°，902cm-1 時α=33°）。

2.  溫度驅動的光學拓撲相變

研究突破性實現了原位動態調控：通過降溫（300K→150K），釩酸釔晶體介電常數發生藍移（圖4a），誘導極化激元發生從橢圓→雙曲的原位光學拓撲轉變。相變過程：在220K時，894cm^-1處為橢圓波前（圖4d），900cm^-1處過渡為無衍射的“準直模式”（圖4e），905cm^-1處演化為雙曲波前（圖4f）。長程傳播：低溫下極化激元傳播距離顯著提升，150 K時橢圓極化激元傳播距離達59 μm，群速度最高達0.076c，與傳統材料如α-MoO₃和 hBN相比，其傳播距離提升了約一個數量級，群速度則相較于α-MoO₃提高了近兩個數量級。

圖4. 基于釩酸釔晶體的溫度（300K-150K）驅動光學拓撲轉變

實驗通過低溫近場掃描光學顯微鏡(cryo-SNOM)技術，直接觀察了YVO₄晶體表面的雙曲表面極化激子的波前。實驗中使用了直徑為1.2 μm的金盤天線作為光學納米天線，激發高度局域的表面波。實驗中使用了連續波中紅外量子級聯激光器（波長范圍為890-905cm^-1），并且配備了低溫散射型掃描近場光學顯微鏡(cryo-neaSCOPE, attocube systems GmbH)，在不同溫度(室溫、220K和150K)下，測量YVO4晶體表面的近場振幅圖像，并通過調整紅外光的頻率觀察雙曲表面極化激子的波前變化。實驗還發現，隨著溫度的降低，雙曲表面極化激子的傳播長度顯著增加。在150K時，橢圓極化子的傳播長度達到59 μm，而平坦色散極化子的傳播長度達到48 μm，顯示出低損耗和長距離傳播的特性。

3. 納米尺度光場操控優勢

圖5. 非雙曲材料中雙曲聲子極化激元（hSPhPs）的溫度依賴傳播特性

基于低溫近場掃描光學顯微鏡(cryo-SNOM)技術，能夠實現在納米尺度光場操控優勢，其優點總結如下：

1）高壓縮比：光場波長壓縮至激發波長的1/40

2）低損耗：低溫下壽命高達55.5 ps

2）原位可控：通過頻率/溫度精確調控能量傳播方向

應用及展望：

此項工作顛覆了“雙曲極化激元僅存于雙曲材料”的傳統認知，提出“非雙曲極化激元”新范式。

動態光控技術：溫度調控可實時切換極化激元拓撲態，為可重構納米光子電路提供基礎。

新型光學器：低損耗長程傳播特性適用于紅外傳感、分子檢測及量子互連等場景。

跨材料拓展：團隊在4H-SiC等材料中驗證了普適性，未來可延伸至聲學、微波領域。

該研究結果通過澄清雙曲型色散和雙曲型晶體并非實現雙曲極化激元的必要條件，顯著拓展了雙曲型納米光學的應用邊界。在釩酸釔晶體的非雙曲頻段內，我們觀測到雙曲聲子極化激元的存在，其表現出低損耗、長傳播距離與長壽命等特性。進一步地，通過簡便地調控入射紅外光頻率與環境溫度，可在原位實現雙曲聲子極化激元從橢圓色散向雙曲色散的光學拓撲轉變，免去了復雜的微納制造工藝。此外，該雙曲極化激元的拓展條件與溫度驅動的色散工程，顯著提升了對極化激元波長與群速度的精細調控能力，展現出高靈敏度和快速響應的調制特性。該機制為增強光-物質相互作用與推動雙曲極化激元技術的發展提供了新的物理路徑與工程手段。

相關參考文獻：

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[3]. N. C. H. Hesp F. H. L. Koppens. et al., Observation of Interbrand collective excitations in twisted bilayer graphene. Nature Physics (2021)

[4]. 中國光學