上交大，碳纳米管研究又一新成果

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近年来，极化激元（polaritons）作为光与物质强相互作用形成的杂化准粒子，在纳米光子学、片上光信息处理以及超分辨光场调控等领域展现出重要应用潜力。特别是在低维材料体系中，由于电子、声子与光场之间的耦合作用显著增强，使得极化激元能够实现远小于衍射极限的光场局域与传播控制，为构建高集成度光电子器件提供了新的物理基础。

在众多极化激元体系中，六方氮化硼（hBN）因其天然的双曲色散特性，能够支持低损耗的声子极化激元传播，成为研究纳米尺度光传播的重要平台。然而，hBN声子极化激元通常工作于较窄的频谱范围，这在一定程度上限制了其在宽频可调光子器件中的应用。相比之下，碳纳米管阵列由于其一维电子结构，可以支持强局域的等离激元模式，并具有较宽的光谱响应范围，但其色散关系的有效调控一直是该领域面临的重要挑战。在这一背景下，如何通过异质结构设计，将不同材料中的极化激元模式进行耦合，实现传播特性与拓扑性质的可控调制，成为当前纳米光子学研究的重要方向之一。

上海交通大学史志文教授、戴庆教授和郭相东副教授等该研究构建了一种由单手性致密碳纳米管阵列与六方氮化硼组成的范德华异质结构体系，通过两种材料中不同类型极化激元之间的强耦合作用，实现了频率依赖的拓扑极化激元调控机制。研究人员发现，当碳纳米管阵列中的各向异性等离激元与hBN中的声子极化激元发生耦合时，可以通过简单调节入射光频率，实现极化激元等频曲线从双曲线到椭圆的拓扑转变。   

图1碳纳米管（CNT）阵列/六方氮化硼（hBN）异质结构中不同拓扑极化激元的数值模拟。

图2 CNT阵列/hBN异质结构中等离激元与声子极化激元耦合模式的实验观测。

图3纳米光学成像揭示CNT阵列/hBN异质结构中杂化极化激元的拓扑转变。

图4 hBN衬底上闭环CNT阵列中的杂化极化激元回音壁模式。

该研究通过构建碳纳米管阵列与hBN的低维异质结构体系，实现了等离激元与声子极化激元之间的强耦合，并首次在该体系中实验观测到由频率调控引发的极化激元拓扑波前转变以及纳米尺度回音壁共振模式。这一成果为理解低维体系中的光-物质相互作用提供了新的实验依据，也为极化激元拓扑调控研究提供了新的材料平台。

从应用角度来看，这种基于天然单手性碳纳米管阵列构建的低损耗极化激元体系，在片上光学互连、纳米光场操控、超紧凑光学谐振腔以及高灵敏红外探测等方向具有潜在应用前景。特别是在集成光电子器件不断向更小尺寸和更高集成度发展的趋势下，此类可调拓扑极化激元体系有望成为未来纳米光子芯片的重要基础结构之一。未来，随着外场调控（如电场、应变或栅压调控）以及几何结构设计的进一步引入，该体系的极化激元色散与拓扑性质有望实现更加灵活的动态调控。同时，将该体系与二维半导体材料或石墨烯等材料进一步集成，也可能推动新型主动可调纳米光电子器件的发展。

文献链接：https://www.nature.com/articles/s41467-026-71100-z

信息来源：Carbontech

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