在纳米尺度上实现对光场的精确操控，是光子学领域长期面临的关键挑战。声子极化激元作为一种光与材料晶格振动耦合形成的准粒子，能够将光场压缩至深亚波长尺度，从而极大增强光与物质相互作用。通过将材料制备成周期性结构，可构筑“声子极化激元晶体”。在这种晶体中，极化激元受到周期结构的调控，会形成一系列特定动量的布洛赫模式，从而实现对光传播路径与分布的调控。然而，这类晶体一旦制备完成，其光学特性通常固定不变，难以根据需要进行动态调节，这在很大程度上制约了其在可重构纳米光子器件中的应用。

为解决这一难题，同济大学物理科学与工程学院王占山和程鑫彬团队的江涛教授，联合美国纽约城市大学Andrea Alù教授、中南大学倪祥教授、韩国浦项科技大学Kyoung-Duck Park教授，设计并制备了α-MoO₃极化激元晶体与石墨烯的异质结电学器件。该结构巧妙结合了二维范德华材料α-MoO₃所具有的低损耗、各向异性声子极化激元特性，以及石墨烯优异的电学可调性，实现了对光传播行为的主动调控。团队首先在α-MoO₃上刻蚀出周期性纳米孔阵列，形成声子极化激元晶体，再与单层石墨烯堆叠形成异质结。通过施加背栅电压调控石墨烯的载流子浓度，即可改变其费米能级（E_F）与光学性质，从而连续、动态地调制整个异质结构的光学行为。1月3日，相关研究成果以“Dynamic tuning of Bloch modes in anisotropic phonon polaritonic crystals”为题，发表于光学领域知名期刊《光：科学与应用》（Light: Science & Applications）。 

图1、极化激元布洛赫模式干涉条纹随石墨烯费米能级的演变 

该研究在纳米尺度下实现了对极化激元布洛赫模式的原位电学重构。借助红外散射式扫描近场光学显微镜（s-SNOM），团队直接观测到随着石墨烯费米能级升高，微纳结构中极化激元干涉条纹发生连续演变，揭示了电学手段对极化激元强度、波长及空间分布的有效操控。进一步的研究表明，电学调控可动态重构极化激元晶体的能带结构，使态密度高的“平带”区域与激光频率对齐，从而实现布洛赫模式共振的选择性增强。此外，研究还通过调节栅压，主动操控平带区域在“光锥”内外的位置。在光学中，“光锥”是动量空间中的一个关键边界：动量位于光锥内部的模式能够与远场自由耦合，向外辐射能量；而位于光锥之外的模式则高度局域在材料表面附近。通过电学手段控制布洛赫模式进入或移出光锥，即可实现布洛赫模式远场辐射的主动“开关”，展示了该异质结构在动态可调谐纳米光子器件中的应用潜力。

图2：极化激元晶体的能带调控

同济大学为论文第一完成单位。同济大学博士生徐俊波、硕士生俞可与中南大学倪祥教授为论文共同第一作者。同济大学江涛教授和美国纽约城市大学Andrea Alù教授为论文共同通讯作者。对论文作出重要贡献的合作者还包括同济大学王占山教授、程鑫彬教授、黄迪教授、何涛助理教授，以及韩国浦项科技大学Kyoung-Duck Park教授。该研究工作获得了国家重点研发计划、国家自然科学基金及上海市“科技创新行动计划”等项目的支持。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41377-025-02157-6#Sec8