近日，一项具有突破性的研究成果在Nature Communications上发表。中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心陈佳宁研究员带领的研究团队，联合国家纳米科学中心戴庆、刘前研究员及苏州实验室薛孟飞副研究员，成功揭示了一项创新技术——通过超快飞秒激光脉冲诱导黑磷（Black-P）材料中的介电张量变化，激活并实现了低损耗瞬态双曲极化激元的主动调控。
极化激元是一种光与物质相互作用形成的特殊电磁模式，它能够显著增强光与物质间的相互作用，并将自由空间光局域至纳米尺度，从而实现在纳米级别精准操控光的行为。而在光学各向异性材料中，尤其是当其介电张量呈现相反符号元素时，会产生双曲极化激元，这种现象在层状半导体如黑磷中具有重要研究价值，但因其本征载流子的低掺杂水平，使得双曲极化激元的观测和利用面临挑战。
科研团队巧妙地运用光电手段，通过注入大量热载流子改变黑磷的电子能带结构，不仅直接观测到了稳态下无法显现的双曲极化激元，更揭示了其非平衡态下的动力学行为。实验结果显示，在约5 ps的时间尺度内，黑磷中的双曲等离激元可以同时存在于传播态模式和边界局域模式中，这一发现为未来设计新型纳米光电器件提供了前所未有的可能性。该研究展示了首例利用黑磷实现低损耗瞬态双曲等离激元主动调控的案例，不仅打破了原有理论框架的局限性，更为探索纳米光子学领域的新颖应用打开了大门。这项成果不仅是对基础科学研究的重要贡献，也为未来的纳米光电子器件制造、信息传输和存储技术等领域带来了革命性的启示。
【图示解读】
- 图1生动展现了实验装置及瞬态双曲等离激元的示意图，以及黑磷在布里渊区Z点附近的能带结构及其激发状态下的各向异性介电常数的变化。
- 其后多幅图像详细记录了不同厚度黑磷中极化激元沿扶手椅和锯齿形方向传播的近场振幅图像，直观揭示了双曲极化激元随泵浦探测延迟时间的动力学演化过程。
这项研究成果以《Manipulating hyperbolic transient plasmons in a layered semiconductor》为题发表于Nature Communications，共同第一为中国科学院物理研究所博士生付饶、国家纳米科学中心博士生瞿钰松以及苏州实验室薛孟飞副研究员，共同通讯则包括陈佳宁研究员在内的多位科研专家。此项目得到了国家重点研发计划项目、国家自然科学基金委、中国科学院先导专项以及Eu-FP7计划等多方资助，并得到中国科学院青年交叉团队的支持。
