声子-极化激元与分子的振动强耦合

下图中所实现的是一种近来受到广泛关注的现象——振动强耦合。振动强耦合可以控制物理及化学材料的性质，借助此项研究结果，将有望发明新型微量分子化学鉴定的集成设备，同时推动纳米尺度上对强耦合现象基本特性的研究。研究结果发明在Nature Photonics上。

图1 氮化硼薄层中分子振动与声子-极化激元（蓝色波）耦合的纳米成像示意图

光在现代科学与技术中有着举足轻重的地位，从高速光学通信，到医学诊断和激光手术都离不开光。许多此类应用的基本实现原理都是光与物质的相互作用。

红外光线可以通过特定的分子振动频率与分子相互作用。因此，通过测量分子材料的红外反射或透射光谱，可以识别不同种类的分子。这种技术通常被称为红外指纹图谱，广泛应用于化学、生物和医学物质的分析中。

近期，科学家们发现红外光线与分子振动的相互作用可以达到非常强的耦合程度，甚至改变材料的导电性和化学反应性等性能。这种效应被称为振动强耦合，可通过将材料放置于光线高度集中的微腔中实现（微腔的通常由两面相距几微米的反射镜构成）。

光和物质之间相互作用的强度取决于物质的数量，当分子数量减少时，相互作用也会随之减弱；这就给红外光谱应用带来了挑战，抑制了强振动耦合的实现。此问题可以通过将光集中在纳米微腔中或压缩其波长来解决，即光约束。

“通过将红外光与高质量极性晶体薄层的晶格振动（声子）相耦合，可以实现对红外光的超强压缩。这种耦合导致了红外波的形成，即所谓的声子-极化激元。它沿着晶体薄层传播，其波长比自由空间中的波长短十倍以上。”本文的第一作者Andrei Bylinkin说。

在研究中，研究人员研究了分子振动和所传播声子-极化激元之间的耦合。首先，研究人员将一层厚度小于100纳米的六方氮化硼放置在有机分子上（六方氮化硼是一种范德华晶体晶体，可通过剥离获得高质量的薄层）。然后，需要要在薄氮化硼层中产生声子-极化激元。“仅靠红外线照射氮化硼层无法产生声子-极化激元，因为光的动量远小于声子-极化激元的动量。”Andrei Bylinkin说。

研究人员们最终利用扫描近场显微镜尖细的金属尖端解决了动量失配的问题。利用金属尖端作为红外光的天线，将红外光集中在尖端纳米级大小的红外点上，以提供产生声子-极化激元所需的动量。显微镜也起到了十分重要的作用：此项研究的领导者Rainer Hillenbrand说：“借助显微镜，我们才得以窥见沿氮化硼传播的声子-极化激元与周围有机分子相互作用时的情况。”他同时补充，“借助显微镜，我们在真实空间中观察到了声子-极化激元如何与分子振动耦合，形成杂化激子的过程。”

研究人员以约等于分子振动频率的红外频率记录了一组图像，揭示了许多基本信息。杂化激子在分子振动频率上有很强的衰减，这一点未来有望应用于集成传感器中。光谱解析图像还显示，波以负的群速度传播；最重要的是，声子-极化激元与分子振动之间的耦合非常强，甚至达到了振动强耦合的程度。

“我们借助电磁学的计算仿真验证了我们的实验结果，并进一步预测：即使在几个原子厚的氮化硼和分子之间也有可能出现强耦合作用。”Alexey Nikitin说。

纳米尺度上的强振动耦合，未来可用于超灵敏光谱器件的开发，或用于研究目前还无法实现的量子层面的超强振动耦合。

原文见：Real-space observation of vibrational strong coupling between propagating phonon polaritons and organic molecules, Andrei Bylinkin, Martin Schnell, Marta Autore, Francesco Calavalle, Peining Li, Javier Taboada-Gutièrrez, Song Liu, James H. Edgar, Fèlix Casanova Luis E. Hueso, Pablo Alonso-Gonzalez, Alexey Y. Nikitin, and Rainer Hillenbrand, Nature Photonics, DOI: 10.1038/s41566-020-00725-3。