导读

太赫兹声子极化激元是光与物质相互作用产生的准粒子，蕴含着丰富的物理信息，为研究太赫兹超快光源和拓扑工程提供了重要平台。然而，在超强耦合情况下形成并操控太赫兹声子极化激元仍面临挑战。

近日，华中科技大学王凯教授、陆培祥教授与凌福日教授首次利用金超表面形成的连续体束缚态（BIC）与钙钛矿薄膜中的声子实现超强耦合，通过调节超表面参数将拉比分裂从声子频率的28%连续调控至48.4%，并通过小波变换成功提取了太赫兹声子极化激元的模式演化信息。该研究不仅为新型太赫兹器件提供了新平台，还为探索太赫兹声子极化激元的复杂动力学开辟了新途径。

相关研究成果以“Manipulating terahertz phonon-polariton in the ultrastrong coupling regime with bound states in the continuum”为题发表于《Light: Science & Applications》。

研究背景

声子极化激元是由极性材料中光子与声子强耦合形成的准粒子，广泛存在于中红外至太赫兹波段，承载着材料内部丰富的物理信息，并为开发新型太赫兹超快光源、实现拓扑光场操控以及高灵敏度传感提供了重要载体。尤其在太赫兹波段，声子极化激元能够与半导体量子阱、钙钛矿、石墨烯乃至DNA分子等材料中的太赫兹声子发生耦合，为理解材料物性和设计新一代太赫兹器件开辟了新途径。

实现声子极化激元的强耦合乃至超强耦合，是调控光与物质相互作用强度的关键。当进入超强耦合区域时，系统可展现出超越传统物理极限的新现象，如电子输运性质的改变、真空场诱导超导等，受到了凝聚态物理和量子光学领域的广泛关注。法布里-珀罗腔和等离子体纳米腔是研究太赫兹声子极化激元的常用平台，但前者局域场增强有限，后者存在空间失配问题，均难以实现超强耦合。近年来，基于连续体束缚态（BIC）的超表面具有高品质因子、强场局域和可调谐性等优势，逐渐成为研究光与物质相互作用的理想平台。另外，传统傅里叶变换光谱无法解析声子极化激元的动态演化过程，比如模式形成的实时动力学和相位演化行为，这阻碍了对超强耦合系统深层次物理机制的探索。因此，发展兼具超强耦合强度和时空分辨探测能力的新平台，已成为该领域的重要挑战。

研究亮点

1. BIC-声子强耦合系统的实现与调控

研究团队创新性地引入金超表面BIC模式，与MAPbI₃薄膜中0.95 THz的声子模式耦合，通过调节超表面结构参数（如周期、尺寸和不对称度），实现了拉比分裂从声子频率的28%至48.4%连续可调，显著进入超强耦合区域（图1）。

理论和仿真表明，BIC模式的品质因子Q随ΔL减小而显著提升，最高可接近200（图1c）。此外，通过调节缩放因子S，BIC超表面的共振频率可以在钙钛矿声子频率（0.95 THz）附近自由调节，这表明了BIC与MAPbI₃声子复合平台实现超强耦合的高可行性以及高调控自由度的研究前景。为了验证这一方法的可行性，研究团队利用紫外光刻、电子束蒸镀等方式制备出共振频率从0.68 THz到1.53 THz的一组BIC超表面样品。随后将钙钛矿溶液旋涂在超表面上，通过退火形成稳定附着的钙钛矿薄膜。当BIC模式与声子共振时，透射谱呈现明显的反交叉行为（图2d），在零失谐时观察到0.28 THz的拉比分裂（图2e），表明系统完全进入了强耦合区域。

通过改变超表面周期参数d (d = Px - Lx)，团队成功实现了拉比分裂的连续调控。当 d 从50 μm减小至2 μm时，拉比分裂从0.26 THz增加至0.46 THz，达到声子频率的48.4%，进入超强耦合区域。仿真分析表明，模式体积随 d 减小而减小，与拉比分裂增强趋势一致，证实了耦合强度与模式体积的平方根反比关系。这一发现为太赫兹极化激元的主动调控提供了有效手段。此外，理论和实验结果表明，除0.95 THz主声子模式外，1.85 THz声子模式也对耦合系统产生显著扰动。通过构建双声子耦合模型，团队成功解释了实验与理论预测间的偏差，为多模式耦合研究提供了新思路。

图1. 复合超表面示意图与BIC模式的非对称性调控

图2. BIC模式与钙钛矿声子的强耦合

2. 小波变换揭示强耦合的动力学信息与声子再辐射过程

传统傅里叶变换光谱无法解析声子极化激元的动态演化过程，缺乏耦合过程中的时间信息。为了解决这个问题，研究团队引入广义Morse小波变换（β = 60, γ = 3）分析太赫兹时域信号，成功提取了极化激元的时频演化信息。背景扣除后，可清晰分辨上极化支、声子模式和下极化支的演化轨迹（图3b）。分析表明，随着d减小，声子模式出现时间提前2 ps，再辐射强度提高10 dB（图3c），相位演化出现明显跃变（图3d）。为进一步验证耦合机制，团队研究了失谐时的声子辐射强度（Δ = 0, 0.1, 0.2 THz），发现零失谐时复合体系比裸钙钛矿薄膜辐射强度高20 dB，而失谐为0.2 THz时再辐射强度降低约5 dB，证实了共振条件对最大化辐射效率的关键作用，揭示了能量在光子-声子之间的转移与再辐射过程。

图3. 小波变换解析声子极化激元的动态演化

总结与展望

该研究首次在金超表面BIC与钙钛矿声子的复合系统中实现了太赫兹波段的超强耦合，通过系统实验和理论分析揭示了耦合机制和动力学过程。提出的模式体积压缩方法为调控耦合强度提供了有效手段，小波分析方法为强耦合系统的动态研究提供了新工具。该平台可扩展至多模式耦合和光电调控系统，在太赫兹调制器、拓扑光子学和量子信息处理等领域具有重要应用前景。钙钛矿材料的本征半导体特性也使其在光电子应用中具有独特优势，为未来光电子器件的发展提供了新思路。（来源：LightScienceApplications微信公众号）

相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41377-025-02044-0