科學家們對以等離子體極子形式傳播的太赫茲波進行成像和分析

一個國際研究小組對以質(zhì)子偏振子形式傳播的太赫茲波進行了成像和檢查，該波與各向異性的薄型半導體板塊一起傳播，其波長比自由空間的太赫茲波減少多達65倍。

平面內(nèi)橢圓聲學太赫茲等離子體極子的藝術插圖，它沿著金鏡上方的Ag2Te薄板傳播，被鋒利的太赫茲照明金屬尖端所激發(fā)和探測。圖片來源：Scixel。版權(quán)所有： CIC nanoGUNE

這是與巴斯克研究中心CIC nanoGUNE、上?？萍即髮W、復旦大學（上海）、布爾諾理工大學、巴斯克地區(qū)大學、材料物理中心（CSIC-UPV/EHU）、多諾斯蒂亞國際物理中心和馬克斯-普朗克固體化學物理研究所（德累斯頓）合作完成的。

更為不同的是，波長隨著傳播方向的變化而變化。這樣的太赫茲波可用于探測納米尺度的基本材料特性，它為開發(fā)超緊湊的片上太赫茲設備創(chuàng)造了條件。

這項研究已在《自然-材料》雜志上報告。

極子被稱為光和物質(zhì)的混合狀態(tài)，它是由光與物質(zhì)激發(fā)的耦合產(chǎn)生的。聲子和等離子體極子是非常值得注意的例子，由光與集體電子振蕩和晶格振動以各自的方式耦合而形成。

它們在一些應用中發(fā)揮著重要作用，從亞衍射光學光譜和超靈敏化學傳感器到通信應用的超小型調(diào)制器。

在薄層中，偏振子有可能以比相應光子波長短100倍的波長傳播。這使得在更小的范圍內(nèi)對光進行操縱成為可能，這比早期的傳統(tǒng)光子設備要小得多。

雖然這些超約束極子大多以中紅外光譜范圍內(nèi)的聲子極子形式被注意到，但科學家們強調(diào)了質(zhì)子極子，因為它們可以存在于更廣泛的光譜范圍內(nèi)。

另一方面，質(zhì)子多極子經(jīng)常受到大阻尼的影響，導致傳播長度短。這對觀察真實空間中的超約束質(zhì)子一直是個挑戰(zhàn)。---陳曙，研究第一作者，國家基礎科學中心-太赫茲科技前沿太赫茲技術創(chuàng)新研究院

利用CIC nanoGUNE（西班牙圣塞巴斯蒂安）Rainer Hillenbrand實驗室的太赫茲納米鏡（更準確地說，是太赫茲散射型掃描近場光學顯微鏡，s-SNOM），Chen了解了低對稱性晶體碲化銀（Ag2Te；Hessite）的薄板，并首次實現(xiàn)了太赫茲質(zhì)子的實空間圖像，其波長范圍比光子波長減少65倍，并隨傳播方向變化。

"碲化銀是一種窄帶隙半導體，具有相對較高的移動電子濃度，這使得這種材料在太赫茲頻率下具有等離子體，"同樣有貢獻的第一作者冷鵬亮說，他在復旦大學（中國上海）的修法賢實驗室制造了這些小板。

由于低對稱性的單斜晶結(jié)構(gòu)，有效電子質(zhì)量沿小板表面具有強烈的各向異性，這解釋了各向異性的等離子體極子傳播。---復旦大學物理系修發(fā)先

此外，科學家們還說明，通過將太赫茲極子與相鄰金屬基底的鏡像聯(lián)系起來，可以大大增加太赫茲極子的比較傳播長度。

由于這種耦合，形成了所謂的聲等離子體極子。--Andrea Kone?ná，布爾諾大學（捷克共和國）

Kone?ná對聲學極子進行了理論上的建模。

來自nanoGUNE的Rainer Hillenbrand補充說："最重要的是，極子傳播的各向異性在質(zhì)量上得到了保留，較長的相對傳播長度使我們能夠明確地驗證極子以橢圓波面?zhèn)鞑?，他負責這項工作。

橢圓聲學多極子的較長傳播長度最終使科學家們能夠確定平面內(nèi)各向異性的有效電子質(zhì)量，從而建立了一種在室溫下測量定向有效載流子質(zhì)量的納米級特殊技術。

通過探索傳統(tǒng)和新型量子材料的基本材料特性，超約束的面內(nèi)各向異性聲學等離子體極子可能導致超緊湊的片上太赫茲應用。

存在于極化層和金屬表面之間的強大場集中可能被利用于場增強的分子傳感或促進（超）強太赫茲光-物質(zhì)耦合與經(jīng)典的二維電子氣體、分子或量子材料。

參考資料：Chen, S., et al. (2023) Real-space observation of ultraconfined in-plane anisotropic acoustic terahertz plasmon polaritons. Nature Materials. doi.org/10.1038/s41563-023-01547-8.