钙钛矿中多模声子-极化激元的超强耦合与声子聚束效应

《Nature Communications》：Multimode phonon-polaritons in lead-halide perovskites in the ultrastrong coupling regime

本刊推荐：为解决传统声子调控策略依赖外场驱动或非谐相互作用的局限性，研究人员开展了钙钛矿-纳米缝隙复合体系中多模声子与腔场超强耦合（USC）的研究。通过太赫兹时域光谱（THz-TDS）和霍普菲尔德模型，首次在热态下实现声子发射的关联调控，发现超热声子聚束现象（g(2)(0)≈3）。该工作为光收集和发光技术中的声子工程提供了新路径。

　　

在固态物理领域，声子作为晶格振动的量子化准粒子，在超导、拉曼散射和对称性破缺等基础现象中扮演核心角色。传统声子调控方法主要依赖外部驱动场或非谐相互作用，这极大限制了其应用范围。近年来，金属卤化物钙钛矿因其优异的光电性能成为太阳能电池研究的热点材料，但其载流子迁移率通常低于传统无机半导体，这主要归因于材料中强烈的电子-声子相互作用。如何通过新的物理机制实现对声子行为的有效调控，进而改善钙钛矿光电器件性能，成为领域内的重要挑战。

在此背景下，腔声子-极化激元（cavity phonon-polaritons）作为一种新兴调控策略受到关注。该方案通过将声子与腔谐振器的真空场耦合，无需外部光源即可通过调节腔几何结构来调控声子性质。特别是当体系进入超强耦合（Ultrastrong Coupling, USC）区域——即光-物质耦合强度g与裸模频率相当时，系统基态会演化为压缩真空态，产生一系列新奇量子现象。然而，多模USC对声子-极化激元系统中强度涨落的影响尚未被探索。

发表于《Nature Communications》的最新研究"Multimode phonon-polaritons in lead-halide perovskites in the ultrastrong coupling regime"在这一领域取得突破。研究团队通过将钙钛矿晶体与太赫兹纳米缝隙腔耦合，首次实现了两个光学声子模式（λ=1和λ=2）与腔模的多模超强耦合，并理论预测了热平衡状态下声子发射的关联特性。

为开展研究，团队采用了几项关键技术：制备了七种不同长度（30-160μm）的纳米缝隙阵列以调节腔模频率；通过太赫兹时域光谱（THz-TDS）在室温下表征混合系统的传输特性；利用COMSOL进行有限元模拟验证实验结果；建立多模霍普菲尔德（Hopfield）量子模型分析USC区域的声子关联函数。研究同时涉及三维MAPbI₃和二维(BA)₂MAPb₂I₇钙钛矿材料，样品制备采用标准光刻技术和钙钛矿薄膜旋涂工艺。

太赫兹传输光谱

实验结果显示，200nm厚MAPbI₃薄膜在0.96THz（λ=1，Pb-I键摇摆模式）和1.9THz（λ=2，Pb-I键伸缩模式）处出现透射率下降。当纳米缝隙腔与声子模式共振时（l=80μm对应ω_c=ω₁，l=50μm对应ω_c=ω₂），传输光谱出现三个明显的极化激元分支：下极化激元（LP）、中极化激元（MP）和上极化激元（UP），并呈现双Rabi分裂特征。由于λ=2模式具有更大的振子强度，其在l=50μm处的Rabi分裂（1.13THz）大于λ=1模式在l=80μm处的分裂（0.45THz）。

钙钛矿-纳米缝隙混合系统中的声子-极化激元特性

通过霍普菲尔德模型拟合，研究团队在共振点提取的归一化耦合强度分别为g₁/ω₁=0.28和g₂/ω₂=0.3，确认系统进入USC区域。在低腔频极限（ω_c→0）下，MP和UP模式分别渐近接近重整化频率ω?₁=√(ω₁²+ν₁²)和ω?₂=√(ω₂²+ν₂²)，形成极化激元能隙Δ₁和Δ₂。反常霍普菲尔德系数在此区域显著增大，导致极化激元基态呈现多模压缩真空态特性。

声子-声子关联函数理论预测

研究通过计算等时二阶声子-声子关联函数g_λ,λ'⁽²⁾(0)，发现多模USC可导致显著的声子聚束效应。在ω_c/(2π)=0.1THz和室温条件下，三维钙钛矿系统中g_1,1⁽²⁾(0)≈2.86，g_2,2⁽²⁾(0)≈2.96，g_1,2⁽²⁾(0)≈2.82，远超裸声子的热态值（g_λ,λ⁽²⁾(0)=2，g_λ,λ'⁽²⁾(0)=1）。理论分析表明，模内关联主要由标准USC品质因子g_λ/ω_λ控制，而模间关联则受乘积因子g₁g₂/ω₁ω₂主导，反映了远失谐腔内声子间的有效耦合。

研究结论表明，通过深亚波长纳米缝隙腔实现的多模USC，为调控钙钛矿中的声子特性提供了全新途径。在低腔频区域，耦合强度按g_λ∝1/√ω_c发散，使哈密顿量中的反旋转项与旋转波项同等重要，即使在热平衡状态下也可产生由USC品质因子控制的异常声子关联。这种腔介导的声子-声子有效相互作用导致超热声子聚束，对应声子的关联发射。尽管直接测量声子-声子关联仍具挑战，但通过量子光学技术（如飞秒噪声关联光谱）可间接验证该效应。

该工作的意义在于首次将多模USC概念应用于声子-极化激元系统，为通过真空涨落工程调控材料本征性质（如载流子迁移率）开辟了可能性。特别是所研究的声子因兼具横光学（TO）和纵光学（LO）特征，与载流子存在强耦合，使得通过多模USC调控电子-声子相互作用成为可能。在长谐振腔中，高频LO声子可通过USC与低频红外活性声子耦合，这可能显著改变钙钛矿太阳能电池中的电子-声子散射过程。此外，LP模式获得的有限群速度和显著声子权重提示，多模USC区域中的超热声子聚束可能影响钙钛矿材料的热输运性质，为声子基量子技术（如超导控制、多模纠缠和相干太赫兹源产生）提供了新的研究方向。