納米尺度光與物質強耦合新突破：定向極化激元技術開辟精準調控研究新范式

    光與物質的深度耦合可形成兼具二者特性的“混合量子態(tài)”——極化激元。該量子態(tài)是實現光場精準操控、分子行為調控的核心載體，其相關研究長期聚焦于耦合效率優(yōu)化與應用場景拓展。然而，如何在納米尺度下賦予極化激元與分子振動的強耦合“方向性”，進而突破傳統(tǒng)調控維度的局限，始終是該領域亟待解決的關鍵科學問題。
    2025年9月22日，國際權威期刊《NaturePhotonics》發(fā)表了一項具有里程碑意義的研究成果：由西班牙奧維耶多大學PabloAlonso-González教授與多諾斯蒂亞國際物理中心AlexeyNikitin教授聯(lián)合領銜的研究團隊，首次通過實驗實現了納米尺度下傳播型極化激元與分子振動的定向振動強耦合（directionalvibrationalstrongcoupling,VSC）。該突破不僅為極化激元化學領域拓展了全新研究維度，更推動“光與物質相互作用的按需調控”從理論構想邁向實驗驗證階段。

    從“各向同性”到“定向調控”：研究背景與技術方案
    在傳統(tǒng)極化激元與分子振動強耦合研究中，耦合過程通常表現為“各向同性”——即極化激元的傳播方向不影響耦合強度，僅能通過調整材料成分、溫度、壓力等參數優(yōu)化耦合效果。這種局限導致極化激元在需要“精準定位”的應用場景（如選擇性催化、分子級傳感）中難以發(fā)揮作用，成為制約其產業(yè)化應用的核心瓶頸。
    為突破這一困境，研究團隊構建了基于面內各向異性范德華材料α-三氧化鉬（α-MoO?）與并五苯（pentacene）分子層的異質結體系。其中，α-MoO?因獨特的晶體結構，具備隨面內傳播方向變化的光學各向異性，可使極化激元沿不同方向呈現差異化傳播特性；并五苯分子層則作為振動耦合單元，其特定振動模式（ω?=880cm?¹）可與極化激元形成強相互作用。
    為實現納米尺度下的觀測與驗證，團隊采用散射型掃描近場光學顯微鏡（scattering-typescanningnear-fieldopticalmicroscopy,s-SNOM）——該技術可在納米分辨率下激發(fā)并原位成像極化激元的傳播行為，最終成功捕獲了α-MoO?中沿不同面內方向傳播的雙曲聲子極化激元（hyperbolicphononpolaritons,PhPs），為定向強耦合的實驗驗證提供了關鍵觀測手段。

    核心研究成果：方向依賴性與最佳耦合方向的發(fā)現
    通過對極化激元色散曲線（反映其能量與波矢關系的特征曲線）的系統(tǒng)分析，研究團隊揭示了定向振動強耦合的兩大核心規(guī)律，為后續(xù)調控應用奠定了理論基礎：
    1.耦合強度的方向依賴性
    研究以拉比分裂（Rabisplitting,δω）作為耦合強度的量化指標（拉比分裂值越大，耦合作用越強），發(fā)現拉比分裂大小隨極化激元傳播方向（φ角）的變化呈現顯著差異：當極化激元沿α-MoO?的[100]方向（φ=0°）傳播時，耦合強度較弱；而沿特定方向傳播時，耦合強度顯著提升。這一現象表明，僅通過改變極化激元的傳播方向，即可實現對光與物質相互作用強度的精準調控，為“定向調控”提供了直接實驗證據。
    2.薄分子層的“最佳耦合方向”效應
    實驗進一步發(fā)現，分子層厚度對定向耦合特性存在關鍵影響：當并五苯分子層較?。ㄈ?6nm）時，耦合強度并非隨傳播方向單調變化，而是在φ≈40°方向達到峰值，形成明確的“最佳耦合方向”；而當分子層較厚（如150nm）時，該峰值效應消失，耦合強度恢復為各向同性分布。
    團隊通過理論分析指出，這一現象的物理本質源于極化激元電磁場與分子層的空間重疊度差異：α-MoO?的光學各向異性導致不同方向的極化激元電磁場分布存在顯著區(qū)別，僅當電磁場與薄分子層的空間重疊程度達到最大值時，耦合強度才會出現峰值；而厚分子層因空間覆蓋范圍廣，可抵消電磁場分布的方向差異，故峰值效應消失。這一發(fā)現為“按需設計耦合效率”提供了清晰的參數調控路徑（如通過控制分子層厚度與傳播方向，實現耦合強度的定制化）。

    研究價值與應用前景：定向極化激元納米化學的開辟
    該研究的核心創(chuàng)新在于，為振動強耦合研究引入了“方向”這一全新調控自由度——此前，科研人員僅能通過材料成分、外部環(huán)境等參數調控耦合過程，而“方向”維度的加入，使光與物質相互作用的調控從“單一維度”邁向“多維度協(xié)同”，為“定向極化激元納米化學（directionalpolaritonicnanochemistry）”領域的建立奠定了基礎。基于這一突破，未來在以下三大前沿領域有望實現技術革新：
    1.選擇性催化領域：推動反應定向進行
    工業(yè)催化中，副反應的存在導致產物純度與反應效率難以提升，核心瓶頸在于無法實現“目標分子鍵的精準激活”。借助定向極化激元技術，可通過調控極化激元傳播方向，使電磁場能量精準聚焦于目標分子鍵（如特定碳氫鍵、碳氧鍵），驅動目標反應選擇性發(fā)生，從而大幅降低副反應概率，為精細化工、醫(yī)藥合成等領域提供高效催化方案。
    2.定向傳感領域：實現分子級精準識別
    傳統(tǒng)傳感技術對結構相似分子（如同分異構體、手性分子）的識別能力有限，而定向極化激元的“方向敏感性”可解決這一問題：不同分子的振動模式存在細微差異，其與極化激元的最佳耦合方向也會隨之偏移。通過檢測“最佳耦合方向”的變化，可實現對微量目標分子的精準識別，未來有望應用于疾病早期診斷（如通過呼氣分子檢測腫瘤標志物）、環(huán)境污染物痕量分析等場景。
    3.分子尺度操控領域：拓展量子化學研究工具
    在量子化學研究中，納米尺度下的分子振動調控與反應路徑干預是核心挑戰(zhàn)。定向極化激元可作為“納米級光場鑷子”，通過控制其傳播方向與強度，精準調控分子振動的相位與振幅，進而干預分子反應動力學過程。這一能力為量子糾纏研究、分子機器操控等前沿方向提供了新型實驗工具，推動量子化學研究向“精準調控”階段邁進。

    該研究通過構建α-MoO?/并五苯異質結體系，首次實現了納米尺度下的定向振動強耦合，其核心價值不僅在于驗證了“方向”作為調控自由度的可行性，更開辟了“定向極化激元納米化學”這一全新研究領域。從科學意義上看，該成果突破了傳統(tǒng)極化激元研究的各向同性局限，為光與物質相互作用的理論體系補充了關鍵維度；從應用價值上看，其為選擇性催化、定向傳感等領域提供了全新技術路徑，具備重要產業(yè)化潛力。
    未來，隨著各向異性材料體系的進一步拓展（如探索其他范德華材料的定向耦合特性）、“最佳耦合方向”調控精度的持續(xù)優(yōu)化（如結合外場調控實現動態(tài)方向切換），定向極化激元技術有望在更多領域實現突破，為納米光子學與化學、生物學的交叉融合提供核心支撐，推動相關產業(yè)向“分子級精準操控”方向升級。