一項新研究成功利用新型層狀材料將太赫茲（THz）光限制在納米級尺寸，這一突破有望改進光電設備性能，如遙控器和夜視儀使用的紅外發(fā)射器，以及物理安全和環(huán)境監(jiān)測所需的太赫茲光學設備。

這項題為“Ultraconfined terahertz phonon polaritons in hafnium dichalcogenides”的研究成果發(fā)表在《自然·材料》期刊上。該研究由范德比爾特大學機械工程教授、跨學科材料科學研究生項目主任Josh Caldwell，以及弗里茨·哈伯研究所的Alex Paarmann與德國德累斯頓工業(yè)大學Lukas M. Eng教授合作主導。

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雖然太赫茲技術(shù)有望實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)處理，但由于其波長較長，將其集成到緊湊設備中一直存在挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)材料難以有效限制太赫茲光，限制了微型化發(fā)展的潛力。

研究團隊采用由鉿與硫、硒等硫族元素組成的層狀材料二硫?qū)倩�鉿，通過利用聲子極化激元（光子與晶體晶格振動耦合形成的一種準粒子），成功將超過50微米的太赫茲波長壓縮至不足250納米，實現(xiàn)了太赫茲光的極端限制。這一過程能量損失極小，為開發(fā)更高能效的太赫茲設備鋪平了道路。

Caldwell解釋道："合作研究員Artem Mishchenko對此作了一個生動比喻：這種超過200倍的光波壓縮，相當于將海洋波浪限制在一個茶杯中。"

該團隊的合作研究重點聚焦于光與物質(zhì)在納米至原子尺度的相互作用、其對非線性光學的影響，以及這些變化與塊體材料的差異。這涉及在光譜域（主要是紅外線）利用極化激元實現(xiàn)亞衍射限光約束、納米級光學元件的設計，以及新型光學、電光和電子材料的識別與表征。

Caldwell透露："這項研究最初是一名高中生的暑期項目，但很快擴展為對前所未有光學限制水平的激動人心的觀測。"該研究源于柏林FHI、范德堡大學與德累斯頓工業(yè)大學之間的長期合作，使用了恩格課題組在德國亥姆霍茲德累斯頓羅森多夫研究中心FELBE自由電子激光用戶裝置上搭建的近場光學顯微鏡終端站。過去15年間，該終端站一直作為用戶實驗室由德累斯頓工業(yè)大學與HZDR共同開發(fā)和維護。

德累斯頓工業(yè)大學的Lukas M. Eng表示："探索通過聲子極化激元（如二硫?qū)倩�鉿中的極化激元）實現(xiàn)超高太赫茲光壓縮，需要借助HZDR自由電子激光器中近場顯微鏡的極致納米級成像能力。"

此項成果有望推動超緊湊太赫茲諧振器和波導的開發(fā)，這對環(huán)境傳感和安全成像應用至關(guān)重要。將這些材料集成到范德瓦爾斯異質(zhì)結(jié)構(gòu)（通過垂直相互作用較弱的二維材料堆疊而成的結(jié)構(gòu)）中，可進一步增強二維材料的研究能力，為納米級光電集成提供新機遇。

研究人員表示，該研究不僅凸顯了二硫?qū)倩�鉿作為太赫茲應用平臺的潛力，還為通過超強甚至深強光-物質(zhì)耦合探索新物理現(xiàn)象奠定了基礎。研究結(jié)果表明，未來通過高通量材料篩選或可發(fā)現(xiàn)更高效的太赫茲技術(shù)材料，推動這一關(guān)鍵領(lǐng)域的創(chuàng)新。

Paarmann強調(diào)："我們在二硫?qū)倩�鉿方面的研究展示了如何突破太赫茲技術(shù)的邊界， potentially 為光電集成方法帶來變革。"

相關(guān)鏈接：https://dx.doi.org/10.1038/s41563-025-02345-0