文章名稱：High-quality nanocavities through multimodal confinement of hyperbolic polaritons in hexagonal boron nitride
期刊名稱：Nature Materials IF 37.2
DOI：https://doi.org/10.1038/s41563-023-01785-w
【引言】
在過去的幾十年中，將光限制在深亞波長體積內一直是納米光子學研究中的核心問題。納米腔的創新性設計使得光被限制在極小的亞波長體積內，即使是單個發射體也能與腔極化子發生強耦合。此外，納米腔的耦合強度可以變得非常大，達到超強耦合和深度耦合的程度，這一現象對傳統的光-物質相互作用的攝動理論提出了挑戰。此外，具有強烈空間變化場的腔體有望獲得超輻射量子相的產生。因此，創造具有深波長模態體積的腔體不僅是推動基礎物理研究的關鍵，而且為量子化學、物質操控等一系列應用領域提供了新的可能。然而，將光壓縮至納米尺度所付出的代價是巨大的。高吸收損失幾乎是所有現有納米腔設計都無法回避的問題，尤其是基于金屬或半金屬材料的腔體。
為了解決品質因子在納米腔體中較低的問題，西班牙巴塞羅那科學技術研究所的相關課題組提出了一種新的光學多模態限制機制。通過制造同位素純六方氮化硼的納米腔體，并利用Neaspec公司的neaSCOPE納米光譜與成像系統對材料進行了不同頻率的納米級精度表征，實現對納米腔體和多模態納米腔體MEC性能的評估，結果發現限域提升了幾個數量級，珀塞爾因子超過108，品質因子在50到480的范圍內，這些數值已接近六方氮化硼極化子的固有品質因子。相關研究以《High-quality nanocavities through multimodal confinement of hyperbolic polaritons in hexagonal boron nitride》為題，發表于SCI期刊《Nature Materials》上。
neaSCOPE是德國neaspec公司推出的全新一代散射式近場光學顯微鏡（簡稱s-SNOM）。設備基于散射式核心設計技術，不依賴于入射激光的波長，很大程度上提高了光學分辨率，能夠在可見、紅外和太赫茲光譜范圍內，提供優于10 nm空間分辨率的光譜和近場光學圖像。neaSCOPE同時支持s-SNOM功能與納米紅外（nano-FTIR）、針尖增強拉曼（TERS）、超快光譜（Ultrafast）和太赫茲光譜（THz）進行聯用，實現高分辨光譜和成像。由于其高度的可靠性和可重復性，neaSCOPE已成為納米光學領域熱點研究方向的優選科研設備，在等離子激元、二維材料聲子極化、半導體載流子濃度分布、生物材料紅外表征、電子激發及衰減過程等眾多研究方向得到了許多重要科研成果。
neaSCOPE納米光譜與成像系統
【圖文導讀】
圖1. 文獻中的納米腔體和多模態納米腔體（MECs）。a)各種納米腔體的品質因子對比圖。b)MECs的界面示意圖。c) 在動量空間中的等頻率線，黑色點標示了聲子極化子（PhP）本征模態，包括了hBN中的A0、A1，以及在金屬基板上的M1。d)當光線射到一個金屬角或在角后約10納米處的模擬結果。
圖2.納米空腔的近場測量結果。a）不同頻率條件下，使用Neaspec測量一個方形MEC的SNOM信號結果。b）頻率掃描的模擬和測量結果。c）測量的相位作為腔體寬度的結果。
圖3.納米腔體的限域效果。a)Q因子與腔體寬度之間的測量與模擬結果。b)600 nm x 600 nm面積腔體的相應光譜。c) 在一個100 nm寬的溝槽腔中，利用25 nm厚薄片進行的半解析損耗計算的結果。
圖4.多模態反射。a) 使用掃描近場光學顯微鏡（SNOM）測量的600 nm×600 nm MEC的第四諧波信號。b) MEC腔體（上）和反向腔體（下）的模擬電場截面（上：f =1497cm-1，下：f=1393cm-1）。c)納米光線反射示意圖。
【結論】
綜上所述，研究人員所制備的MEC在保持一定的品質因數的前提下，諧振器的體積實現了數量級的縮小。這一高品質MEC，對于后續制備納米器件有著深遠的影響。此外，器件的小型化意味著珀塞爾效應的巨大增強，有望成為光與物質相互作用的研究平臺。
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