傳統雙曲極化激元（hSPhPs）需依賴雙曲晶體（其介電張量分量符號相反），這類材料的光學響應被限制在固定光譜范圍且缺乏可調性，嚴重制約了其在負折射、超透鏡及光電子集成等領域的應用潛力。

中國地質大學（武漢）戴志高教授、李國崗教授聯合新加坡南洋理工大學胡光維博士、王岐捷教授合作在《自然》發表成果，首次在非雙曲晶體釩酸釔（YVO?）表面實現了長程雙曲聲子極化激元。研究者通過低溫納米成像技術，直接觀測到該晶體在其非雙曲頻段（介電分量均為負）產生雙曲波前，并利用溫度調控（室溫至低溫）實現了極化激元色散的原位拓撲相變——從雙曲態到溝道化態，最終過渡至橢圓態。這一突破不僅擺脫了對雙曲晶體的依賴，還實現了低損耗、長程傳播及波長與群速度的精準調控。

非雙曲材料中的雙曲表面模式

研究團隊通過理論模型（圖1a-b）和傅里葉變換紅外光譜（圖1c）證實：YVO?晶體在800–950 cm?¹頻段內介電分量（ε∥與ε⊥）均為負值，不符合傳統雙曲晶體定義。然而，數值模擬顯示其表面可支持雙曲極化激元：在890 cm?¹頻率下電場呈橢圓波前（圖1e），而900 cm?¹時轉變為雙曲波前（圖1f）。快速傅里葉變換（FFT）譜（圖1g-h）與理論等頻線高度吻合，揭示了非雙曲材料中雙曲表面模式的物理基礎。

圖 1：塊狀非雙曲材料表面的雙曲表面聲子極化激元。 

實空間成像驗證雙曲特性

利用散射式近場光學顯微鏡（s-SNOM），團隊在金盤納米天線激發的YVO?表面直接觀測到極化激元波前動態變化：890 cm?¹時為橢圓波前（圖2a），隨頻率升高逐漸過渡為雙曲波前（圖2c-e）。FFT分析（圖2f-h）進一步證實其雙曲色散特征，且開放角α隨頻率增加而減小（圖2b），與理論預測一致。

圖 2：非雙曲材料中 hSPhPs 的真實空間成像。 

溫度驅動的原位拓撲相變

通過低溫調控（220 K與150 K），YVO?介電分量發生藍移（圖3a），導致雙曲極化激元頻段偏移。在220 K下，894 cm?¹頻率呈橢圓波前（圖3d），900 cm?¹時因色散平坦化出現溝道化傳播（圖3e），905 cm?¹時演化為雙曲波前（圖3f）；150 K下相同頻率亦觀察到類似相變（圖3g-i）。這一現象首次實現了無需微納加工的原位動態拓撲調控。

圖 3：在非雙曲材料中，hSPhPs 的本征拓撲轉變和無衍射通道化，無需外部作。 

低溫增強傳播性能

線掃描分析（圖4a-c）顯示：溫度降低可顯著增加極化激元波長（如894 cm?¹橢圓態波長隨溫度下降而增大）。低溫還大幅提升傳播距離——150 K時橢圓極化激元傳播長度達59 μm（圖4d），溝道化態達48 μm，歸因于聲子散射抑制帶來的低損耗特性。群速度分析（圖4e）進一步揭示溫度對能量傳輸速率的調控能力。

圖 4：hSPhPs 在非雙曲材料中的溫度依賴性傳播特性。

應用前景與意義

該研究打破了"體相雙曲色散是表面雙曲模式的必要條件"的傳統認知，將雙曲納米光學領域拓展至非雙曲材料（如YVO?、4H-SiC等）。溫度調控機制為極化激元的波長、群速度及拓撲態提供了高靈敏度操控手段，有望推動負折射器件、平面超透鏡、極化激元互聯及高光譜傳感等技術的發展。未來通過優化背景介電環境，可進一步拓展其在光子傳感和動態控制系統中的應用潛力。