铌酸锂超表面增强激子-极化激元与等离激元-极化激元拉比分裂及其在室温极化器件中的应用

这篇研究设计了一种可诱导法诺(Fano)共振的超薄铌酸锂(LN)超表面，通过调节Q因子实现与过渡金属二硫属化物(TMDC)单层和等离激元超材料的强耦合。研究发现当二硫化钼(MoS2)、二硒化钨(WSe2)和二硒化钼(MoSe2)单层位于纳米结构电场峰值位置时，可获得最大拉比分裂(Rabi splitting)，分别达52.76 meV、40.35 meV和36.46 meV。在银(Ag)/金(Au)-LN杂化纳米结构中，通过调控尺寸观察到等离激元-极化激元杂化态的反交叉行为，拉比分裂高达300.33 meV和272.28 meV。该研究为开发室温极化激元器件（如增强谐波产生、超低阈值极化激元激光器等）提供了新思路。

　　

光学超表面领域的重要突破：铌酸锂超表面实现强光-物质相互作用

引言

介电超表面为纳米尺度光学和光子学提供了多功能平台，能够精确调控光的相位、振幅和偏振。近年来，米氏(Mie)模式、导模共振和连续域束缚态(BIC)等光子共振进一步增强了介电超表面的功能。铌酸锂(LN)作为一种商业化的光学材料，具有从可见光到红外的宽透明范围、大电光和非线性系数等优异特性，使其成为超表面设计的理想选择。

光学特性与强耦合机制

研究团队设计了一种超薄亚波长LN超表面，能够诱导敏感的法诺(Fano)型光子共振。通过调节可调光子共振的Q因子，实现了与过渡金属二硫属化物(TMDC)单层和等离激元超材料的强耦合。电场模拟显示，当二硫化钼(MoS₂)、二硒化钨(WSe₂)和二硒化钼(MoSe₂)单层位于纳米结构电场峰值位置时，可获得最大耦合强度。特别值得注意的是，更薄和更窄的空气间隙进一步增强了耦合强度。

激子-极化激元的显著拉比分裂

实验数据表明，LN-MoS₂、LN-WSe₂和LN-MoSe₂异质结构分别实现了52.76 meV、40.35 meV和36.46 meV的显著拉比分裂。通过耦合振荡器模型计算的霍普菲尔德(Hopfield)系数分析表明，这些激子-极化激元态在室温下具有非零的拉比分裂，这一发现可通过实验验证。

等离激元-极化激元的突破性表现

在银(Ag)和金(Au)-LN超表面杂化纳米结构中，研究人员通过调控超表面尺寸，观察到了等离激元-极化激元杂化态的反交叉行为。令人瞩目的是，Ag-LN和Au-LN超表面异质结构分别实现了300.33 meV和272.28 meV的巨大拉比分裂。这种强耦合源于金属等离激元的强光限制与LN超表面的低损耗共振的协同效应。

应用前景与展望

这项研究为开发实用的室温极化激元器件开辟了新途径。基于LN超表面的强耦合系统有望应用于：增强谐波产生、超低阈值极化激元激光器、紧凑型高速调制器以及其他微型光电器件。特别是Ag/Au-LN超表面杂化结构，为集成光子学中单模光操作的紧凑、高速、高效调制器设计提供了关键解决方案。

材料特性与数值模拟

LN作为单轴晶体，其介电张量具有各向异性特性。研究团队采用有限差分时域(FDTD)方法进行了精确的电磁模拟，通过设置周期性边界条件和完美匹配层(PML)，确保了计算结果的准确性。对于TMDC单层，采用洛伦兹振子模型来描述其面内介电常数，为强耦合现象的深入研究奠定了理论基础。