技术突破推动"光压缩"应用迈上新台阶

研究人员在薄膜压缩红外光技术领域取得重要突破，揭示了该技术的三大创新优势，显著提升了实际应用潜力。研究团队证实：新型薄膜可令压缩后的红外光传播距离提升四倍以上；可作用于更宽泛的红外波段；同时具备优异的基材兼容性，能适应不同基底材料与复杂表面结构。

这项发表在《先进功能材料》的突破性研究建立在前期发现基础上——某些氧化物薄膜具有压缩红外光的独特性能。相较于传统晶体材料，这种超薄薄膜在光约束能力上实现了质的飞跃。

"我们采用钛酸锶(SrTiO3)晶体薄膜作为核心材料，"论文共同通讯作者、北卡罗来纳州立大学材料科学与工程系助理教授Yin Liu指出，"在硅基底上的初期测试虽展现了特殊性能，但存在严重能量损耗。这意味着大部分光能转化为热能，导致有效传播距离受限。"

“我们怀疑这种高损耗主要是由硅基底引起的，而不是钛酸锶膜本身，”另一位共同通讯作者、北卡罗来纳州立大学材料科学与工程助理教授Ruijuan Xu说。“为了更好地了解薄膜的固有特性，我们将薄膜悬浮起来，使其不与基底接触，并在劳伦斯伯克利国家实验室的先进光源（ALS）进行了一系列测试。结果令人振奋，有两项发现。

第一个发现是：钛酸锶具有极低的能量损耗，这意味着光可以传播得更远。“从效率角度来看，这种薄膜的表现与最先进的极化子材料相当，这意味着这些薄膜在实际应用中具有很大的潜力，”Liu说道。

关于极化子材料的解释，我们需要定义声子（phonons）、光子（photons）和极化子 （polaritons）。声子和光子都是能量在材料内部或之间传播的方式。声子本质上是由原子振动产生的能量波，而光子则是电磁能量的波。可以将声子视为声能的单位，光子则是光能的单位。声子极化子是在红外光子与“光学”声子（即能发出或吸收光的声子）耦合时形成的准粒子。

第二个发现是：在先进光源测试中，薄膜不仅可以压缩中红外光，还能压缩远红外光。“当我们在硅基底上测试钛酸锶时，只能压缩中红外光，”Xu说。“我们理论上知道它可以限制远红外光，但现在我们有实验数据证明这一点。” “从实际应用角度来看，能够限制远红外光非常重要，”Liu补充道。“例如，这将有助于开发热管理技术，将热能转变为红外光。而能够在更宽的红外波段工作，也拓宽了这些材料在分子传感技术中的应用前景。”

“我们还认为这项工作很重要，因为我们已证明可以将这些薄膜应用到具有各种表面几何形状的基底上，比如我们用来悬浮薄膜的那种，”Xu说道。“你也可以将薄膜直接应用到除硅以外的其他材料基底上，这些材料能保持其固有的‘低损耗’特性。”

“我们早期的工作建立了一类新型光学材料，可以控制红外波段的光，具有潜在的光子学、传感器和热管理应用，”Xu表示。“我们的新研究提供了对这些材料及其性能的更深入理解，有助于我们设计和将这些材料应用于实际场景中。”

“另外，这些材料的一个令人兴奋的方面是，我们用来制造这些薄膜的方法比其他极化子材料的制造技术更具规模化潜力，”Liu说。“这再次为其实际应用铺平了道路。”

“我们也非常欢迎与对利用这些材料感兴趣的产业合作伙伴合作。”

这篇题为《Low-Loss Far-Infrared Surface Phonon Polaritons in Suspended SrTiO3 Nanomembranes》杂志上以开放获取方式发表。论文第一作者是北卡罗来纳州立大学的博士生Konnor Koons。论文共同作者还包括来自北卡罗来纳州立大学的博士生Reza Ghanbari和Yueyin Wang；劳伦斯伯克利国家实验室的Hans Bechtel和Stephanie Gilbert Corde；以及日内瓦大学的Javier Taboada-Gutiérrez和Alexey Kuzmenko。

这项工作得到了美国国家科学基金会（编号：2340751和2442399）、美国化学学会石油研究基金（编号：68244-DNI10）、美国能源部科学用户设施——先进光源（合同编号：DE-AC02-05CH11231）以及瑞士国家科学基金会（编号：TMPFP2_224378 和 200020_201096）的支持。