【会员论文】中国科学技术大学&同济大学徐军教授、唐慧丽教授研究团队：薄膜β-Ga₂O₃晶体中的声子极化激元

        由中国科学技术大学&同济大学徐军教授、唐慧丽教授研究团队在学术期刊 Optics Communications 发布了一篇名为 Phonon polariton in thin β-Ga₂O₃ crystal（薄膜 β-Ga₂O₃ ）的文章。

        本研究得到国家自然科学基金委员会（项目编号：12375331、U2032150、12375181）的资助。

        声子极化激元（PhPs）是红外光子与晶格振动（声子）耦合形成的准粒子。在具有强各向异性的晶体中，PhPs 可以形成双曲型的等频面，被称为双曲声子极化激元（HPhPs）。 HPhPs 具有强光场限制、低损耗、定向能量传播等奇特性质，在纳米尺度调控红外光方面具有重要应用。当晶体薄到一定程度时，其有限的厚度会对 PhPs 产生强烈的空间限制效应，形成所谓的体限制声子极化激元。 这种限制会产生多个分立的模式，并可能带来新的物理现象。Β相氧化镓（β-Ga₂O₃）是一种具有低对称性（单斜晶系）的晶体，其丰富的各向异性声子共振使其在红外波段具有多个不同类型的双曲能带，是研究 HPhPs 的理想平台。此前的研究主要集中在块状（bulk）β-Ga₂O₃ 晶体中，而在薄层 β-Ga₂O₃ 中，空间限制会如何影响其丰富的 HPhPs 特性，是一个亟待探索的问题。

        薄晶体的厚度限制对声子极化子（PhPs）的空间分布施加了限制，从而对其性质产生显著影响。在本研究中，理论上研究了不同类型双曲带中的薄 β 相氧化镓（β-Ga₂O₃）晶体中的声子极化子，并发现体积限制的声子极化子（v-PhPs）可以被激发。由与Ⅰ_┴型双曲带对应的光频率激发产生的 v-PhPs 可沿面内方向传播，而这在体晶体中是不可能实现的。此外，模式耦合导致由Ⅱ_‖型双曲带光频率激发 v-PhPs 的“花瓣状”等频曲线，使极化激元波能够沿相互正交的方向传播。这一特性使薄晶体成为可通过选择适当入射波长激活的动态分束器，从而实现对光或热传播的操控。这些发现为纳米光子学和热传导应用提供了有前景的途径。

        v-PhPs 可在薄层 β-Ga₂O₃ 晶体中形成，并展现出新型且独特的性质。与体相晶体中的 Ⅰ_┴ 带 PhPs 不同，后者无法沿面内方向传播，而薄层晶体中的 Ⅰ_┴ 带 PhPs 具备面内传播能力。对于 II_‖ 带 v-PhPs，薄晶体中 v-PhPs 的基本模式与高阶模式耦合形成花瓣状等频曲线，使极化激元波能够在相互正交的方向上传播。此外，薄晶体可通过切换入射光的偏振状态，作为动态可控的分束器。这使得对光子或热束的传播实现便捷控制，为纳米光子学和热传导领域开辟了新的应用前景。

图1. β-Ga₂O₃ 的晶体结构与介电常数。 (a) β-Ga₂O₃ 的晶体结构。a、c 为平面内方向，b 为平面外方向。 (b) 坐标系旋转示意图。x’、y’、z 为旋转后的轴。(c) β-Ga₂O₃ 沿新坐标轴三个主轴方向的介电常数实部。彩色阴影区域表示不同类型的双曲带。

图2. 不同厚度 β-Ga₂O₃ 中 PhPs 的平面方向色散曲线。（a–b） β-Ga₂O₃ 体相中 PhPs 的色散曲线。(c–h) 薄层 β-Ga₂O₃ 中 v-PhPs 的色散曲线。其中，(c) 和 (d) 的厚度为 5 μm，(e) 和 (f) 的厚度为 2 μm，(g) 和 (h) 的厚度为 0.2 μm。顶部的假彩色图为 x’ 方向的色散曲线，底部的假彩色图为 y’ 方向的色散曲线。以 (g) 为例，标出了 720 cm⁻¹ 处的基本模式 (M0) 和高阶模式 (M1, M2 …)。

DOI：

doi.org/10.1016/j.optcom.2025.132112