我院团队在《自然》发表重要成果 —— 非双曲材料中发现双曲极化激元，开辟纳米光子学新路径

7月16日，由中国地质大学深圳研究院戴志高教授与新加坡南洋理工大学胡光维（南洋助理教授）领衔的国际合作团队，在纳米光子学领域取得重大突破性进展。该团队首次在钒酸钇晶体（YVO₄）的非双曲波段（介电常数张量均为负值）中观测到双曲声子极化激元，相关研究成果以《Long-range hyperbolic polaritons on a non-hyperbolic crystal surface》为题发表于国际顶级学术期刊《自然》（Nature），这一发现打破了双曲材料领域的固有认知，为纳米光子操控开辟了全新路径。

图1：传统双曲材料与钒酸钇晶体的介电张量符号关系及双曲范围总结

该研究成果由中国地质大学深圳研究院“无机光电子信息功能材料与器件”研究团队完成（团队负责人：李国岗教授），主要完成人为戴志高教授和2021级博士研究生刘璐（戴志高教授首位博士研究生）。团队一直围绕国家稀土新材料和湖北省光电子信息领域的重大需求开展研究工作。稀土材料因其独特的光、电、磁、催化等性能，被誉为“工业维生素”，在现代高科技领域中扮演着不可或缺的关键角色。

打破传统认知：非双曲材料中发现双曲极化激元

双曲材料因其独特的电磁特性，一直被视为纳米光子学的核心载体之一。传统认知中，双曲极化激元仅能在双曲材料的特定“双曲频段”（即介电常数实部在不同晶轴方向上符号相反的 “剩余射线带”）中存在，其光学响应被限制在固定的双曲频段内，这极大地限制了其应用潜力。

在此项研究中，团队选择四方晶系 YVO₄晶体作为研究载体（图2）。实验结果表明，即便在该晶体介电张量分量 ε∥和 ε⊥同为负值的非双曲频段，其材料表面仍可支持双曲型声子极化激元的传播。这一发现的关键机制在于界面处满足特定的表面波共振条件（﹣ε₁＜ε⊥＜0 且 ε∥＜ε₁²/ε⊥＜0），使得电磁场仅沿一个方向传播，在面内呈现双曲型等频轮廓。

图2：非双曲材料钒酸钇晶体表面双曲极化激元的近场实验示意图

图源：Nature

为验证这一发现，研究团队通过散射型近场光学显微镜（s-SNOM）在 895–905 cm⁻¹ 频段直接观测到了双曲波前（图3 c-e），且其开口角 α 随频率增大而减小（898cm⁻¹ 时 α=51°，902cm⁻¹ 时 α=33°），为非双曲材料中存在双曲极化激元提供了确凿的实验证据。

图3：钒酸钇晶体中双曲极化激元实空间成像

图源：Nature

研究亮点纷呈：温度调控与优异特性赋能新应用

该研究不仅实现了在非双曲材料中观测到双曲极化激元这一突破，还展现出多项显著优势：

温度驱动光学拓扑相变：团队通过降温（从 300K 降至 150K），使钒酸钇晶体介电常数发生蓝移（图4a），成功诱导极化激元发生从椭圆型到双曲型的原位光学拓扑相变。在 220K 时，894cm⁻¹ 处为椭圆波前（图4d），900cm⁻¹ 处过渡为无衍射的 “准直模式”（图4e），905cm⁻¹ 处演化为双曲波前（图4f）。这种通过温度调控实现的拓扑相变，为动态调控极化激元提供了有效手段。

图4：基于钒酸钇晶体的温度驱动光学拓扑转变

图源：Nature

低损耗、长距离传播特性：低温环境下，该极化激元表现出优异的传播性能。150K 时，椭圆极化激元传播距离达 59μm，与传统材料如 α-MoO₃和 hBN 相比，传播距离提升了约一个数量级；群速度最高达 0.076c，相较于 α-MoO₃提高了近两个数量级。同时，其还具有低损耗特性，低温下寿命高达 55.5ps。

纳米尺度光场操控优势：该极化激元能将光场波长压缩至激发波长的 1/40，并且可通过频率、温度精确调控能量传播方向，在纳米尺度光场操控方面具有显著优势。

应用前景广阔：为多个领域提供新可能

此项研究成果意义重大，不仅颠覆了“双曲极化激元仅存于双曲材料” 的传统认知，提出了 “非双曲极化激元” 新范式，还在多个领域展现出广阔的应用前景：

在动态光控技术方面，温度调控可实时切换极化激元拓扑态，这为可重构纳米光子电路的研发提供了重要基础，有望推动光子器件向更高集成度、更灵活调控的方向发展。

在新型光学器件领域，该极化激元的低损耗、长程传播特性使其适用于红外传感、分子检测及量子互连等场景，能够提升相关器件的性能和效率。

此外，团队已在 4H-SiC 等材料中验证了该机制的普适性，未来这一研究成果有望延伸至声学、微波等领域，进一步拓展其应用边界。

据悉，该论文的第一作者为刘璐博士（系戴志高教授首位博士生）、南洋理工大学熊浪浪博士、王重午博士后、白毅华博士后，通讯作者为中国地质大学（武汉）李国岗教授和中国地质大学深圳研究院戴志高教授、南洋理工大学王岐捷教授和胡光维教授。中国地质大学（武汉）博士生王宇鹏、电子科技大学马玮良教授、华中科技大学李培宁教授、西班牙马德里自治大学 Francisco J. Garcia-Vidal 教授为论文发表做出了宝贵贡献。研究工作得到了国家自然科学基金、新加坡国家研究基金、深圳市自然科学基金等多项资助。

论文信息

Liu, L., Xiong, L., Wang, C. et al. Long-range hyperbolic polaritons on a non-hyperbolic crystal surface. Nature (2025).

https://www.nature.com/articles/s41586-025-09288-1