beat365電子顯微鏡實驗室、量子材料科學中心、輕元素先進材料研究中心高鵬課題組與國家納米科學中心戴慶研究員和楊曉霞研究員、西班牙巴塞羅那科學技術研究所F. Javier García de Abajo教授等合作，測量發現納米尺寸氮化硼管中雙曲型聲子極化激元的回音壁模式具有超小的模式體積和超高的Purcell因子，表明氮化硼納米管在增強納米尺度光與物質相互作用方面大有可為。2023年2月24日，相關研究成果以“氮化硼納米管中的雙曲型回音壁聲子極化激元”（Hyperbolic whispering-gallery phonon polaritons in boron nitride nanotubes）為題發表于《自然·納米技術》（Nature Nanotechnology）。此外，課題組受邀總結了近幾年國内外相關研究團隊利用電鏡測量聲子極化激元的進展、機遇和挑戰，發表在中文期刊《科學通報》。

黃昆先生的代表作之一“黃方程”處理了離子晶體材料中光學聲子與電磁波的耦合問題，闡明了這種耦合會産生一種新的元激發，即聲子極化激元，解釋了離子晶體材料的紅外色散特征。近年來聲子極化激元受到了廣泛的關注，因為它有望應用在低損耗納米光學元器件中，諸如亞衍射成像、增強探測和光芯片等。自上世紀50年代黃昆先生的理論提出以來，相關概念在60年代開始逐漸被光學實驗如拉曼散射所證實。過去十多年，由于基于針尖散射式的掃描近場光學方法（s-SNOM）的發展和二維材料的興起，聲子極化激元研究進入高速發展時期。然而不管是基于拉曼光譜還是紅外光譜的光學探測方法，在研究聲子極化激元上都有一些局限性。聲子極化激元的激發需要滿足動量匹配和能量匹配。從動量匹配角度，由于光子沒有靜止質量，而聲子的動量可以很大，因此光學方法隻能激發小動量的聲子極化激元。事實上，高動量的聲子極化激元具有更高的波長壓縮和光場局域能力。從能量匹配角度，遠紅外波段，之前沒有成熟商業化的掃描近場光學顯微鏡産品，直到近兩年才開始發展起來，因此這個頻段現有研究較少。實際上，很多常見的半導體材料如ZnO、AlN、GaN等的聲子極化激元都處在這個頻段。

針對這些挑戰，高鵬課題組近年來緻力于發展利用電鏡的電子能量損失譜來測量聲子極化激元，與合作者一起取得了一系列進展，比如激發并探測了單層氮化硼中的高動量聲子極化激元，獲得了最高紀錄的壓縮比，解決了單原子層二維材料中聲子極化激元存在與否的長期争議（Nat. Mater. 2021, 20: 43–48），彌補了納米光學動量失配的短闆。利用電子能量損失譜連續激發與探測的特點，從而覆蓋遠紅外頻段的測量，與納米光學形成互補。據此研究了代表性的材料ZnO（Nano Lett. 2019, 19: 5070–5076）和α-MoO₃（Adv. Mater. 2020, 32: 2002014）等，發現了一些新模式，并揭示了尺寸效應、幾何形狀效應、取向依賴的選擇性激發與探測等。此外，該方法的高空間分辨率能力、高探測效率使得該方法在研究不規則小納米結構（Sci. Bull. 2020, 65, 820）、異質結界面（Chin. Phys. Lett. 2019, 36, 026801）的聲子極化激元方面也具有獨一無二的優勢。另一方面，聲子極化激元的離域性使得其探測可以在aloof模式（電子束聚焦在樣品附近的真空中）下進行，因此一些常規電鏡表征容易損傷的材料可以用這種方式來探測并且避免損傷。該領域的研究進展以及相關展望發表于《科學通報》（2023年第68卷第一期18-31頁），第一作者為beat3652019級本科生何沛一。目前，高鵬課題組開發的聲子極化激元探測和分析方法已經在beat365電子顯微鏡實驗室平台上開放使用。

圖1. （a）電子顯微鏡裡的高能電子束激發聲子極化激元；（b）電子能量損失譜與近場光學方法在能量、動量等方面對聲子極化激元表征能力的對比：納米光學能探測的動量範圍很小，而電鏡能損譜能探測的動量範圍很大；覆蓋遠紅外頻段的近場掃描光學顯微鏡技術剛剛起步，之前缺乏商業化的産品，而電鏡能損譜可以全覆蓋；納米光學所測量的聲子極化激元色散通常是離散的幾個點，而電子顯微鏡是連續激發與探測；此外，電鏡探測在微弱信号、光學非活性模式、小納米結構等方面也具有優勢。

近日，合作團隊又取得了新的進展。高鵬課題組與國家納米科學中心和西班牙巴塞羅那科學技術研究所等合作，詳細研究了單個氮化硼納米管的聲子極化激元，發現其中存在雙曲型聲子極化激元的回音壁模式（hyperbolic whispering-gallery phonon polariton，HWG-PhP），具有超小的模式體積，并随着氮化硼納米管徑向尺寸的減小而減小。該工作直接從實驗上觀察到低至10^-10量級的模式體積（相對自由光波長歸一後），同時雙曲型聲子極化激元本征的低損耗使得該回音壁模式的品質因子可達約220，最終在亞10納米的氮化硼管中得到了10¹²量級的超高Purcell因子。這表明小尺寸氮化硼納米管在增強納米尺度光與物質相互作用方面大有可為。電子能量損失譜方法在該項工作中發揮了重要作用，除了前面提到的動量匹配方面的優勢，電子顯微鏡超高的空間分辨率為在測量小尺寸氮化硼納米管（徑向尺寸通常在幾個至幾十個納米）中的聲子極化激元模式分布、研究色散關系提供了基礎。另一方面，由于電子與材料相互作用的散射截面通常要比光學作用高出4-6個數量級，因此電子激發具有更高的效率，有利于探測原子數目少、信号微弱的這類小納米結構，如少層二維材料、小尺寸一維和零維材料。

圖2. 電子束沿氮化硼納米管軸向（a）和徑向（b）掃描時獲得的電子能量損失譜；（c）不同側壁厚度氮化硼納米管中HWG-PhP模式的色散關系；（d）實驗得到的模式體積與Purcell 因子

2023年2月24日，相關研究成果以“氮化硼納米管中的雙曲型回音壁聲子極化激元”（Hyperbolic whispering-gallery phonon polaritons in boron nitride nanotubes）為題，在線發表于《自然·納米技術》（Nature Nanotechnology）雜志。國家納米科學中心特别研究助理郭相東博士和beat365前沿交叉學科研究院2017級博士研究生李甯（導師是beat365官方网站量子材料科學中心王恩哥院士）為文章共同第一作者，楊曉霞、F. Javier García de Abajo、高鵬、戴慶為文章通訊作者。其他合作者包括beat365本科畢業生亓瑞時、研究生時若晨、李躍輝，國家納米科學中心研究生吳晨晨，河北工業大學河北省微納氮化硼材料重點實驗室黃陽教授及beat365王恩哥院士。

上述研究工作得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金、量子物質科學協同創新中心、輕元素量子材料交叉平台等支持。

論文原文鍊接：

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

https://doi.org/10.1360/TB-2022-0512