近期，意大利技术研究院Antonio Ambrosio等人展示了在天然范德瓦尔斯晶体MoOCl₂的薄膜中，存在低损耗的平面内双曲等离子体极化子，这些极化子在可见光和近红外范围内有效工作。极化子的色散关系基于双轴介质中的光传播框架进行预测，并通过在剥离薄片上的真实空间纳米成像实验得到了验证。MoOCl₂构成了一个理想的材料平台，适用于利用双曲模式无界性实现的可见光应用，如超透镜、Purcell因子增强和超分辨成像，同时避免了超材料的缺点。相关成果发表在Nature communication上。

研究背景

在纳米光子学中，亚波长尺度下的光控制至关重要。双曲极化子由于能够支持任意大的波矢，使得光的约束超越了衍射极限。传统的双曲超材料由于金属成分的存在，存在较大的损耗，而自然低损耗的双曲声子极化子仅限于中红外范围。一些可见光范围内的双曲材料已被研究，但它们要么存在较大的损耗，要么仅表现为垂直方向的双曲性。

图文解读

本文通过多种表征手段揭示了MoOCl₂晶体在近红外和可见频率下传播极化激元（polaritons，PPs）的现象，并进一步探索了其在纳米光子学中的潜在应用。首先，本文使用了实时空间纳米成像技术，通过扫描近场显微镜（s-SNOM）结合金天线对MoOCl₂的PPs模式进行了高分辨率成像。该方法成功捕捉了MoOCl₂晶体中传播的超高波矢PPs模式，证明了MoOCl₂在近红外和可见光范围内可以支持具有双曲线轮廓的极化激元。这一发现不仅为MoOCl₂材料提供了新的光学应用场景，也为实现高频率工作下的纳米光子学器件提供了理论依据。

在对MoOCl₂极化激元现象的深入分析中，本文还通过全电磁仿真进一步模拟了MoOCl₂在不同角度下的反射特性，并结合转矩矩阵法对MoOCl₂的光学性质进行了量化描述。仿真结果揭示了MoOCl₂材料在近红外和可见光频率范围内具有较低的损耗和较强的光学二向色性，表明其具有在纳米光学器件中进行极化操作的潜力。此外，本文利用原子分辨力原子力显微镜（AFM）对MoOCl₂的晶体结构进行了精细表征，观察到其具有明显的层状结构特征，进一步验证了MoOCl₂作为一种自然的、空气稳定的范德华材料的优越性。

进一步的远场光学表征则通过反射率测量，结合偏振光源，探索了MoOCl₂在光学器件中的应用前景。测量结果表明，MoOCl₂在可见光频段表现出强烈的偏振选择性，这使其成为实现超小型光学元件和低损耗偏振调制器的理想候选材料。通过这些表征，本文不仅确认了MoOCl₂在不同光学频段的优异光学特性，还揭示了其在光学调制和波长选择性方面的潜力，为纳米光学器件的设计提供了新的思路。

此外，本文通过结合电子束光刻技术，制作了MoOCl₂片层上的金天线结构，并利用近场扫描光学显微镜（s-SNOM）进一步探测了MoOCl₂材料表面的极化激元传播模式。通过这些技术手段，研究人员能够精确地控制MoOCl₂与金天线之间的相互作用，推动了纳米光子学领域的进一步发展。

总之，本文通过实时空间纳米成像、全电磁仿真、AFM和远场光学表征等手段，深入分析了MoOCl₂晶体的光学特性和极化激元传播机制。基于这些表征和发现，本文成功揭示了MoOCl₂作为新型超小型纳米光学元件材料的潜力，并推动了该材料在纳米光子学和超高频器件应用中的广泛前景。

图1 | 可见频率下的双曲等离子体极化子。

图2 | 块体 MoOCl₂中的各向异性等离子体极化子传播。

图3 | 等离子体极化子在MoOCl₂薄膜中的传播。

图4 | MoOCl₂各向异性的表征以及双曲PP在可见光和近红外频率下的真实空间成像。

结论展望

本文通过实空间纳米成像演示了MoOCl₂晶体在近红外和可见光频率下支持具有双曲轮廓的传播极化子。利用等离子体极化子（PPs）代替声子极化子（PhPs）是实现操作频率提升的关键因素。尽管各向异性PPs此前已有研究，但它们仅在太赫兹频率或通过超快激发在中红外区域被观察到。我们的发现将通过PhPs在中红外区域实现的纳米尺度光传播控制扩展到了技术上相关的可见光范围。由于MoOCl₂在空气中稳定且不需要保护层，它构成了一个理想的平台，用于实现超大损耗的金属和元材料中受限的制造分辨率等问题所限制的双曲材料应用。

除了双曲极化子的存在，我们认为MoOCl₂的独特性质可以为可见光谱中的多个纳米光子学应用提供支持。例如，最近平面各向异性介质引起了相当大的关注，用于实现超紧凑的光学元件以进行偏振调控。虽然一些材料在牺牲较大损耗或低绝对透射/反射的情况下展现出较好的光学二向色性（即折射率虚部的差异），MoOCl₂却在宽低损耗频率范围内同时具备较大的光学二向色性和双折射特性，使其成为实现低损耗超紧凑光学元件的良好候选材料。此外，由于其低电子密度的金属性质，MoOCl₂在通过静电门控可调的光学器件中也是一个有前景的候选材料，为使用渗透超薄金属膜的设备提供了一种易于获取的替代方案。

MoOCl₂是一种天然的、空气稳定的范德华材料，其等离子频率位于可见光范围内，代表了一个独特的金属平台，适用于新兴的全范德华纳米光子学领域，而目前该领域仅能使用介电元素在可见光频率范围内运行。鉴于上述所有独特性质，MoOCl₂有可能被利用来实现高频可调的小型化偏振元件和超表面。

文章链接：

https://doi.org/10.1038/s41467-024-53988-7

--低维材料前沿