纳米尺度光与物质强耦合新突破：定向极化激元技术开辟精准调控研究新范式

    光与物质的深度耦合可形成兼具二者特性的“混合量子态”——极化激元。该量子态是实现光场精准操控、分子行为调控的核心载体，其相关研究长期聚焦于耦合效率优化与应用场景拓展。然而，如何在纳米尺度下赋予极化激元与分子振动的强耦合“方向性”，进而突破传统调控维度的局限，始终是该领域亟待解决的关键科学问题。
    2025年9月22日，国际权威期刊《NaturePhotonics》发表了一项具有里程碑意义的研究成果：由西班牙奥维耶多大学PabloAlonso-González教授与多诺斯蒂亚国际物理中心AlexeyNikitin教授联合领衔的研究团队，首次通过实验实现了纳米尺度下传播型极化激元与分子振动的定向振动强耦合（directionalvibrationalstrongcoupling,VSC）。该突破不仅为极化激元化学领域拓展了全新研究维度，更推动“光与物质相互作用的按需调控”从理论构想迈向实验验证阶段。

    从“各向同性”到“定向调控”：研究背景与技术方案
    在传统极化激元与分子振动强耦合研究中，耦合过程通常表现为“各向同性”——即极化激元的传播方向不影响耦合强度，仅能通过调整材料成分、温度、压力等参数优化耦合效果。这种局限导致极化激元在需要“精准定位”的应用场景（如选择性催化、分子级传感）中难以发挥作用，成为制约其产业化应用的核心瓶颈。
    为突破这一困境，研究团队构建了基于面内各向异性范德华材料α-三氧化钼（α-MoO₃）与并五苯（pentacene）分子层的异质结体系。其中，α-MoO₃因独特的晶体结构，具备随面内传播方向变化的光学各向异性，可使极化激元沿不同方向呈现差异化传播特性；并五苯分子层则作为振动耦合单元，其特定振动模式（ω₀=880cm⁻¹）可与极化激元形成强相互作用。
    为实现纳米尺度下的观测与验证，团队采用散射型扫描近场光学显微镜（scattering-typescanningnear-fieldopticalmicroscopy,s-SNOM）——该技术可在纳米分辨率下激发并原位成像极化激元的传播行为，最终成功捕获了α-MoO₃中沿不同面内方向传播的双曲声子极化激元（hyperbolicphononpolaritons,PhPs），为定向强耦合的实验验证提供了关键观测手段。

    核心研究成果：方向依赖性与最佳耦合方向的发现
    通过对极化激元色散曲线（反映其能量与波矢关系的特征曲线）的系统分析，研究团队揭示了定向振动强耦合的两大核心规律，为后续调控应用奠定了理论基础：
    1.耦合强度的方向依赖性
    研究以拉比分裂（Rabisplitting,δω）作为耦合强度的量化指标（拉比分裂值越大，耦合作用越强），发现拉比分裂大小随极化激元传播方向（φ角）的变化呈现显著差异：当极化激元沿α-MoO₃的[100]方向（φ=0°）传播时，耦合强度较弱；而沿特定方向传播时，耦合强度显著提升。这一现象表明，仅通过改变极化激元的传播方向，即可实现对光与物质相互作用强度的精准调控，为“定向调控”提供了直接实验证据。
    2.薄分子层的“最佳耦合方向”效应
    实验进一步发现，分子层厚度对定向耦合特性存在关键影响：当并五苯分子层较薄（如36nm）时，耦合强度并非随传播方向单调变化，而是在φ≈40°方向达到峰值，形成明确的“最佳耦合方向”；而当分子层较厚（如150nm）时，该峰值效应消失，耦合强度恢复为各向同性分布。
    团队通过理论分析指出，这一现象的物理本质源于极化激元电磁场与分子层的空间重叠度差异：α-MoO₃的光学各向异性导致不同方向的极化激元电磁场分布存在显著区别，仅当电磁场与薄分子层的空间重叠程度达到最大值时，耦合强度才会出现峰值；而厚分子层因空间覆盖范围广，可抵消电磁场分布的方向差异，故峰值效应消失。这一发现为“按需设计耦合效率”提供了清晰的参数调控路径（如通过控制分子层厚度与传播方向，实现耦合强度的定制化）。

    研究价值与应用前景：定向极化激元纳米化学的开辟
    该研究的核心创新在于，为振动强耦合研究引入了“方向”这一全新调控自由度——此前，科研人员仅能通过材料成分、外部环境等参数调控耦合过程，而“方向”维度的加入，使光与物质相互作用的调控从“单一维度”迈向“多维度协同”，为“定向极化激元纳米化学（directionalpolaritonicnanochemistry）”领域的建立奠定了基础。基于这一突破，未来在以下三大前沿领域有望实现技术革新：
    1.选择性催化领域：推动反应定向进行
    工业催化中，副反应的存在导致产物纯度与反应效率难以提升，核心瓶颈在于无法实现“目标分子键的精准激活”。借助定向极化激元技术，可通过调控极化激元传播方向，使电磁场能量精准聚焦于目标分子键（如特定碳氢键、碳氧键），驱动目标反应选择性发生，从而大幅降低副反应概率，为精细化工、医药合成等领域提供高效催化方案。
    2.定向传感领域：实现分子级精准识别
    传统传感技术对结构相似分子（如同分异构体、手性分子）的识别能力有限，而定向极化激元的“方向敏感性”可解决这一问题：不同分子的振动模式存在细微差异，其与极化激元的最佳耦合方向也会随之偏移。通过检测“最佳耦合方向”的变化，可实现对微量目标分子的精准识别，未来有望应用于疾病早期诊断（如通过呼气分子检测肿瘤标志物）、环境污染物痕量分析等场景。
    3.分子尺度操控领域：拓展量子化学研究工具
    在量子化学研究中，纳米尺度下的分子振动调控与反应路径干预是核心挑战。定向极化激元可作为“纳米级光场镊子”，通过控制其传播方向与强度，精准调控分子振动的相位与振幅，进而干预分子反应动力学过程。这一能力为量子纠缠研究、分子机器操控等前沿方向提供了新型实验工具，推动量子化学研究向“精准调控”阶段迈进。

    该研究通过构建α-MoO₃/并五苯异质结体系，首次实现了纳米尺度下的定向振动强耦合，其核心价值不仅在于验证了“方向”作为调控自由度的可行性，更开辟了“定向极化激元纳米化学”这一全新研究领域。从科学意义上看，该成果突破了传统极化激元研究的各向同性局限，为光与物质相互作用的理论体系补充了关键维度；从应用价值上看，其为选择性催化、定向传感等领域提供了全新技术路径，具备重要产业化潜力。
    未来，随着各向异性材料体系的进一步拓展（如探索其他范德华材料的定向耦合特性）、“最佳耦合方向”调控精度的持续优化（如结合外场调控实现动态方向切换），定向极化激元技术有望在更多领域实现突破，为纳米光子学与化学、生物学的交叉融合提供核心支撑，推动相关产业向“分子级精准操控”方向升级。