南开新闻网讯（通讯员 程丹）近日，南开大学物理科学学院/泰达应用物理研究院许京军教授、蔡卫教授、罗维维副教授研究团队，在中红外等离激元的调控机理与近场光学表征方面取得系列重要进展，相关成果分别发表于 Science Advances 和 Nature Communications。
中红外波段涵盖物质结构表征、分子识别、热辐射调控及空间通信等一系列关键物理过程，是贯通基础科学研究与实际应用的重要频谱区间。然而，随着光波长的增大，光与物质相互作用减弱、空间分辨率受限等问题日益凸显，制约了相关表征手段和功能器件性能的进一步提升。
极化激元是材料中元激发，如自由电子集体振荡（等离激元）、晶格声子（声子极化激元）等，与光子强耦合形成的准粒子，其具备深亚波长尺度的强光场局域特性。传统贵金属等离激元主要工作于可见—近红外波段，已在高密度磁存储、表面增强光谱等领域取得重要应用。相比之下，中红外波段极化激元体系的研究与开发，有望为增强中红外光–物质相互作用、推动相关表征技术与器件性能提升提供新的物理平台。
低对称性极性晶体薄膜天然支持体限域的双曲型声子极化激元（volume-confined hyperbolic phonon polaritons，v-HPhPs），其兼具高度可压缩的光场与优异的定向传播特性，已成为纳米尺度定向调控光–物质相互作用的重要平台，并在片上热输运调控、分子片上光谱与腔量子材料工程等领域展现出广阔应用前景。然而，受限于有效调控手段不足，v-HPhPs 的进一步发展仍面临挑战。
石墨烯等离激元具有灵活的电调谐特性，通过模式耦合效应，已被认为是实现 v-HPhPs 调控的重要物理机制。研究团队基于在等离激元领域的长期研究积累[Nat. Commun. 10, 2774 (2019)；Nano Lett., 21, 5151 (2021); Nat. Commun., 13, 983 (2022); Phys. Rev. Lett. 134, 043802 (2025)]，在理论上建立了石墨烯等离激元极限调控能力的物理模型，并在实验中通过在 v-HPhPs 薄膜/空气界面集成层间偏压双层石墨烯结构，利用层间电荷同相集体振荡的等离激元模式，验证了这一极限化调控。该调控方式具有动态范围大、不依赖介电环境、低驱动电压等优势。基于此，团队演示了极化激元等频色散线拓扑相变的灵活调控。更重要的是，该工作展示了对片上光场能流方向的动态编程能力，为中红外片上动态功能器件的发展开辟了新前景，在可重构热管理和超灵敏生物传感等领域具有重要应用潜力。
相关成果以 “Ultimate tuning of hyperbolic phonon polaritons” （双曲声子极化激元的极端调控）为题发表在 Science Advances 上。南开大学为第一完成单位，博士研究生张令龙为第一作者，罗维维副教授、蔡卫教授和许京军教授为共同通讯作者。
在强关联氧化物体系中，电子间的强相互作用往往伴随显著的电磁能量耗散，使这类被称为“坏金属”的材料长期被认为难以支持低损耗的等离激元响应。散射式近场光学显微技术作为强关联体系超分辨光学表征的重要手段，其探测信号通常被理解为源于局域介电响应机制。
镍酸盐材料作为典型的强关联氧化物体系，晶格、电荷与自旋等参数交织，展现出复杂而丰富的物理行为，并可在温度、电场等外场激励下发生一阶金属-绝缘体相变。罗维维副教授与其博士后期间所在的日内瓦大学 Alexey B. Kuzmenko 教授团队合作，以镍酸钕（NdNiO₃）薄膜为研究对象，利用中红外散射型近场光学显微技术，实现了金属-绝缘体相分离边界的纳米级成像，并在界面处观测到显著增强的近场光学相位信号。结合理论分析与数值模拟，研究揭示了实验信号源于金属–绝缘体边界处形成的边缘等离激元模式。随着相变边界宽度的减小，该模式由介电常数近零下的局域响应，逐渐演变为具有准一维传输特征的非局域响应。该工作阐明了非局域响应在强关联体系近场光学表征中的关键作用，为金属–绝缘体相变行为的实验识别与理解提供了重要判据。同时，准一维传播的边缘等离激元模式的发现，为发展基于相变材料的可重构红外光子器件提供了重要物理基础。
相关成果以 “Edge polaritons at metal–insulator boundaries in a phase separated correlated oxide” （相分离关联氧化物中金属-绝缘体边界处的边缘极化激元）为题发表在 Nature Communications 上。南开大学为第一完成单位，罗维维副教授与日内瓦大学博士生Adrien Bercher为共同第一作者，Alexey B. Kuzmenko 教授为通讯作者。
上述研究工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、广东省基础与应用基础研究重大项目以及高等学校学科创新引智计划等项目的资助。
论文链接：
https://www.nature.com/articles/s41467-025-66698-5;
https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adz6278
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