Ученые впервые наблюдали ультрасильную связь между фононами и плазмонами в плоской зоне

Исследователи из центра CIC nanoGUNE в сотрудничестве с Доньостийским международным физическим центром (DIPC) и Центром физики материалов (CFM) впервые экспериментально наблюдали и теоретически подтвердили ультрасильную связь в плоской зоне между оптическими фононами и поверхностными плазмон-поляритонами. Работа, опубликованная в журнале Nature Materials, открывает ранее не изученный режим взаимодействия света и материи с потенциалом для применения в поляритонной химии, материаловедении, нанофотонике и квантовых технологиях.

Схема эксперимента по наноспектроскопии. Автор: Nature Materials (2025). DOI: 10.1038/s41563-025-02412-6

Что такое ультрасильная связь и поляритоны

Сильная и ультрасильная связь возникают, когда обмен энергией между светом и материей становится настолько велик, что они перестают вести себя независимо, формируя гибридные моды — так называемые поляритоны, которые сочетают свойства обоих. В этой работе ученые вошли в режим ультрасильной связи, настроив поверхностные плазмоны (коллективные колебания электронов) в полупроводниковой подложке так, чтобы их резонансная частота совпала с частотой оптических колебаний решетки (фононов) в тонком полярном кристаллическом слое, нанесенном сверху.

Достижение такого согласования приводит к отклику ультрасильной связи в плоской зоне. Это означает, что гибридные поляритонные состояния сохраняют почти одинаковую энергию (частоту) в широком диапазоне волновых векторов, а не только при определенных значениях (импульсах). Это ключевое отличие от обычной ультрасильной связи, где поляритоны обычно существуют лишь в узкой области импульсного пространства.

Эксперимент и результаты

Для экспериментальной демонстрации эффекта команда использовала наноспектроскопию по схеме «накачка-зонд». В этой технике один оптический импульс возбуждает материал, а второй, задержанный по времени импульс измеряет оптический отклик с наноразмерным пространственным разрешением.

Ближний инфракрасный импульс накачки использовался для создания подвижных электронов в подложке из арсенида индия (InAs) посредством фотоэкситации. Возросшее количество подвижных носителей смещает резонансную частоту поверхностных плазмонов, согласуя её с оптическими фононами в нанесенном сверху 50-нанометровом слое карбида кремния (SiC), что и позволяет войти в режим плоской зоны ультрасильной связи.

Полученные гибридные моды поверхностного плазмон-фононного поляритона были визуализированы с помощью спектроскопической нано-визуализации в среднем инфракрасном диапазоне. Этот метод предоставил информацию об их зависимости частоты от волнового вектора (дисперсии) и подтвердил наличие ультрасильной связи в плоской зоне. Эксперименты были дополнены теоретическим моделированием, которое подтвердило существование гибридных поляритонов, распространяющихся в широком диапазоне импульсов.

Потенциальные применения

Достижение сильной и ультрасильной связи в широком диапазоне импульсов — по сути, одновременное создание большого набора гибридных мод — может принести пользу в поляритонной химии, где гибридные состояния света и материи изменяют химические энергетические ландшафты. Это также открывает возможности для управления фазовыми переходами, индуцированными сильной связью света и материи, которые могут кардинально менять физические свойства материалов.

Больше информации: Edoardo Vicentini et al, Real-space observation of flat-band ultrastrong coupling between optical phonons and surface plasmon polaritons, Nature Materials (2025). DOI: 10.1038/s41563-025-02412-6

Источник: Elhuyar Fundazioa