近日，上海交通大学戴庆教授、国家纳米科学中心胡海副研究员团队联合西班牙CIC nanoGUNE研究中心Rainer Hillenbrand教授、西班牙光子科学研究所F. Javier García de Abajo教授，在片上纳米光信号激发与模式分离领域取得重要突破。相关成果发表于《Nature Photonics》。
如何在纳米尺度高效调控光的传播，是发展下一代光电子与信息处理技术的重大挑战。特别是在芯片尺寸不断缩小、能耗需求持续降低的背景下，亟需能够实现超高空间压缩与精细操控的光子方案。极化激元正是在这一背景下脱颖而出的关键物理机制。它是光子与材料内部粒子或准粒子耦合形成的电磁波，能量与动量高度集中，可将光束压缩至纳米尺度，为超分辨成像、增强光-物质相互作用、光子芯片、红外传感和量子信息等前沿领域提供支撑。
在众多极化激元形态中，高阶双曲声子极化激元（Higher-order Hyperbolic Phonon Polaritons，以下简称高阶极化激元）尤为引人注目。相比广泛研究的基模极化激元，高阶极化激元具有更强的场增强效应，有望在紧凑型纳米光子器件中发挥重要作用。然而，由于其对入射光波矢补偿的要求极为严苛，传统的近场激发方式（如针尖散射、金属天线、边缘散射）均受限于单次动量补偿，难以实现高阶极化激元的有效激发和操控。
针对这一难题，研究团队提出了一种全新的两步激发机制。首先，通过共振金属天线实现远场光对材料中基模极化激元的直接激发（第一步动量匹配）；随后，在极化激元的传播路径中引入原子级平整的金-空气边界，实现散射，从而进一步激发高阶极化激元（第二步动量补偿）。基于这一结构，研究团队不仅首次实现了高效的高阶极化激元激发，而且凭借所设计的低损耗悬空结构，使其能够在室温下实现长距离、低损耗的稳定传输。
依托高效激发与长传输距离，团队进一步通过边界角度设计，首次观测到基模与高阶极化激元的类双折射现象，实现了不同阶次极化激元的传输方向分离，为纳米尺度光传输路径的精细调控提供了全新的自由度。
该研究展示的边界诱导两步散射激发机制及高阶极化激元的空间分离现象，对于设计高效发射结构和多模态光子器件，特别是在模式复用与解复用方面，具有重要意义，为未来纳米光路和集成光子器件的发展奠定了坚实基础。
10月3日，相关成果以 “Boundary-induced Excitation of Higher-order Hyperbolic Phonon Polaritons” 为题在线发表在《Nature Photonics》。上海交通大学戴庆教授、国家纳米科学中心胡海副研究员、西班牙CIC nanoGUNE研究中心Rainer Hillenbrand教授为论文共同通讯作者；西班牙光子科学研究所F. Javier García de Abajo教授为论文提供了重要学术指导。国家纳米科学中心博士后陈娜、上海交通大学博士后滕汉超为共同第一作者。该研究得到国家重点研发计划纳米科技专项、国家自然科学基金、中国博士后科学基金等项目资助。论文链接：https://www.nature.com/articles/s41566-025-01755-5
双曲极化激元高阶模式的激发与空间分离示意图。利用共振天线与边界散射的两步动量补偿机制，可高效激发高阶双曲声子极化激元。通过特定角度的结构设计，不同阶次的极化激元模式在空间上实现分离，展现出显著的类双折射效应，为片上光信号路由提供全新技术途径。
