摘要：你能把光压缩到比其自然波长小几百倍的空间吗？这听起来不可能，但一项新的研究揭示了一种利用名为狄拉克等离子体极化激元（DPP）的奇异波来实现这一点的方法。

智能纳米级设计使光波传播得更长、更强，为更快的传感和成像打开了大门。

你能把光压缩到比其自然波长小几百倍的空间吗？这听起来不可能，但一项新的研究揭示了一种利用名为狄拉克等离子体极化激元（DPP）的奇异波来实现这一点的方法。

这些波将光与特殊超薄材料中的电子运动融合在一起，可能会彻底改变我们发送信息、感知环境的方式，甚至构建下一代量子设备。

多年来，研究人员一直梦想利用 DPP 来控制太赫兹 (THz) 频率范围内的光，这是微波和红外光之间尚未开发的频谱部分。

太赫兹波段常被称为光子学的“最后前沿”，因为它可以实现闪电般的无线通信、更清晰的医学扫描和先进的安全成像。然而，问题在于太赫兹频率能量损失很快，而且控制难度极高。

研究人员指出，这项新研究“代表着朝着开发具有更低能量损失和更高性能的可调谐太赫兹光学设备迈出了重要一步” 。

调整 DPP 的科学

研究人员想出了一个巧妙的方法来驯服这些难以捉摸的波。他们没有依赖普通的纳米结构，而是转向了拓扑绝缘体超材料，具体来说是一种名为外延Bi2Se3的先进材料。

拓扑绝缘体的特殊之处在于，它们的内部不导电，但表面导电，使得电子的行为如同没有质量一样。这一特性使其成为DPP的理想场所。

研究人员将这种材料设计成横向耦合纳米结构，也称为元元素。通过仔细调整这些元元素之间的间距，他们发现可以调节DPP，从而通过几何形状而非蛮力有效地控制其行为。

你可以把它想象成调整吉他琴弦之间的间距来改变它的声音。琴弦之间的距离越近或越远，振动就越不同。

为了验证这一点，研究团队使用了相敏近场显微镜（Phase-Sensitive Near-Field Microscope，简称PEM），这是一种尖端的成像技术，能够直接发射DPP波，并观察其在纳米结构中移动的情形。结果令人惊讶。

通过微调元元件之间的间距，他们成功地将极化子波矢提高了 20%，这意味着光被挤压得更紧，同时将衰减长度延长了 50% 以上，这意味着波可以传播得更远而不会损失能量。

这些成果解决了阻碍 DPP 在实际设备中实用化的关键问题（高动量和快速能量损失）。

节能太赫兹设备的重要性

这项发现不仅仅是一项技术成就，它或许将成为新一代光子技术的基础。可调且节能的太赫兹设备将改变各行各业，从更快速、更安全的无线通信系统到非侵入式医学成像，从下一代太阳能电池到量子信息处理。

在纳米尺度上引导和操纵太赫兹光波的能力也为非线性光学开辟了新的可能性，在非线性光学中，光以不寻常的方式与自身相互作用，从而促进强大传感器和新计算技术的开发。

然而，虽然实验证明了DPP可以进行调节和稳定，但将这种方法扩展到功能齐全的设备仍需要时间。未来的研究将侧重于改进材料设计并进一步降低能量损失。

该研究发表在《光科学与应用》杂志上。

来源：小琪在学习