研究背景
在微纳光子学领域，纳米尺度光场分布的精准操控始终面临关键技术挑战。传统光学器件受限于光的衍射极限，难以实现百纳米以下的高效光场操控。极化激元作为光与物质耦合形成的准粒子，可将光场压缩至纳米尺度，为突破这一极限提供了新路径。近期，天然三维晶体中的剪切极化激元可以实现光的非对称传播，进一步提升了纳米尺度光的定向操控能力。然而，这类极化激元的调控受限于体材料本征属性，难以实现动态调节。
针对这一难题，同济大学物理科学与工程学院王占山教授和程鑫彬教授团队的江涛教授，联合美国纽约城市大学Andrea Alù教授、中南大学的倪祥教授，提出了一种基于二维范德华材料的剪切极化激元调控策略。研究团队利用α相三氧化钼（α-MoO3）天然双曲特性，通过构建层间扭转角可调的异质结构，在二维体系中实现了双曲剪切极化激元的多维度操控。实验证实，可以通过调节双层α-MoO3的厚度和转角，显著改变体系的对称性，从而精准操控纳米尺度极化激元的传播方向与模式分布。进一步耦合石墨烯场效应晶体管，实现了双曲剪切极化激元的原位动态调控，为光电子学微纳器件的开发提供了新思路。2025年3月26日，相关成果以“Engineering shear polaritons in 2D twisted heterostructures”为题，在线发表于国际期刊《自然∙通讯》（Nature Communications）。
该研究通过构建扭转双层α-MoO3结构，在二维体系中诱导出双曲剪切极化激元，进一步调节层间扭转角度和厚度，可有效控制双曲剪切极化激元的传播方向、能量损耗和局域场强度。结合红外散射型扫描近场光学显微镜（s-SNOM）表征与全波电磁模拟，研究系统阐明了双曲剪切极化激元的剪切效应及损耗调控机制：扭转角度可增强极化激元的非对称传播特性，实现光信号沿特定方向的高效传输，同时优化局域场分布；调节厚度可进一步丰富传播特性；而通过引入石墨烯的费米能级调控，成功实现对外加电场响应的实时动态调节。
值得关注的是，该研究不仅突破了三维低对称性材料对剪切极化激元调控的固有局限，更通过二维材料体系拓展了剪切极化激元的调控维度，展示了其在动态可调谐纳米光电子器件中的应用潜力。
图1 转角α-MoO3剪切极化激元的示意图
本研究使用 Bruker nanoIR3s 红外散射型扫描近场光学显微镜，检测扭转双层α-MoO3结构的近场成像。并在其基础功能上创新耦合了电学调控模块、近场光电流测试模块与伪外差测试模块，从而实现对外加电场的精确调控，进一步拓展近场光学测量能力。在实验表征中，s-SNOM 通过原子力显微镜探针耦合红外激光，使探针尖端的强局域场与样品相互作用，从而产生近场散射信号。由于探针的纳米级尺寸，该方法可突破衍射极限，实现高空间分辨率的光学成像和光谱测量。此外，探针的振动调制与锁相检测技术结合，可有效抑制远场背景干扰，提高信号的信噪比。
图2 不同扭转角度的转角α-MoO3剪切极化激元的测量。a不同扭转角度的α-MoO3片层光学图像，b-e极化激元的近场成像，f-i 傅里叶光谱实验图，j-m傅里叶光谱模拟图，n剪切因子和品质因子随扭转角度增加而增加
图3 不同厚度的转角α-MoO3剪切极化激元的测量。a不同厚度的α-MoO3片层光学图像，b-e极化激元的近场成像，f-i 傅里叶光谱实验图，j-m傅里叶光谱模拟图，n剪切因子和品质因子随扭转角度增加而增加
图4 转角α-MoO3剪切极化激元的电学调控行为。a双层转角α-MoO3/石墨烯异质结构示意图，b不同费米能级剪切极化激元的等频等值线，c-g极化激元的近场成像，h-l 傅里叶光谱实验图， m-q 傅里叶光谱模拟图
论文链接：
https://www.nature.com/articles/s41467-025-58197-4
Bruker IconIR&nanoIR纳米红外光谱介绍:
https://www.bruker.com/en/products-and-solutions/infrared-and-raman/nanoscale-infrared-spectrometers/dimension-iconir.html
https://www.bruker.com/en/products-and-solutions/infrared-and-raman/nanoscale-infrared-spectrometers/Anasys-nanoir3.html