1.研究团队

北京理工大学李家方、汪洋与皇家墨尔本理工大学贾宝华团队等单位合作，用PMMA模具做纳米铸造，让液态钠快速冷却成型，得到钠-氩超表面：Q值最高290，二次谐波转换效率是银的6倍、平板结构的72倍。

✅结构：液态钠在PMMA纳米模具上快速冷却，无论模具多深都只填很浅一层，留下的氩腔可调辐射与耗散损耗之比；

✅光学：临界耦合下Q值237、吸收92%、半高宽4.35nm；不考虑临界耦合时Q值290、半高宽3.54nm；

✅角分辨：ARMS测的E–k谱在L=35nm处出现例外点，紧邻Γ点，亮模与暗模都保持高Q；

✅非线性：1030nm泵浦、515nm倍频，转换效率6倍于银、72倍于平板；200×120μm²器件可做六态偏振成像。

Keywords：钠等离激元   纳米铸造  |  非局域超表面 |  例外点  |  二次谐波  

2.研究背景

等离激元把光压到纳米尺度，代价是金属自身的欧姆损耗。金和银损耗低，可稀有、昂贵，规模化受限制。钠的自由电子阻尼更小，地壳丰度2.36%，加工温度能压到150℃以下。

难点在成型，钠极易氧化，镀膜、光刻这些手段用不了。此前的热辅助旋涂能做出纳米凹坑和纳米棒，共振线宽也窄，但高Q与高耦合效率始终没能同时拿到。

3.研究成果

作者换了思路：不刻蚀钠，让钠去填模具，以PMMA做纳米模具，液态钠在其表面快速冷却固化。反常的地方在于，模具孔再深，钠的填充深度都停在很浅的位置，剩下的空间被氩气占住。因为填充深度是自限的，颜色饱和度可以单独调，色调基本不动。氩腔大小正好调节辐射损耗与耗散损耗的比例，器件因此能从欠耦合推到临界耦合，再到过耦合。

结构用的是竖直开口环（VSRR）模具：两根钠柱夹住一团氩气，用来压低辐射损耗。钠的填充高度只有几十纳米，模式进入非局域区，Q值普遍超过200，例外是L=35nm和45nm两处。

3.1 Q值与临界耦合

临界耦合下Q=237，吸收92%，半高宽4.35nm；只看Q值可以做到290，半高宽3.54nm。作者称这是碱金属等离激元体系里目前最高的。耦合状态靠氩腔尺寸调，吸收率随之从欠耦合过渡到过耦合。

图1：钠的纳米铸造（a：二元模具上的浅填充；b：灰度模具，填深固定、氩腔随孔深变化；c：结构色随模具深度调节；d：不同周期与深度的阵列照片）

3.2  角分辨谱里的例外点

角分辨反射谱由复享光学ARMS 显微角分辨光谱仪测得，TM偏振、y–z平面入射，H取25、60、215nm三组。随L增大，暗模（BIC）相对亮模移动：L=0时BIC在长波侧，L=35nm时两者重合，在Γ点附近形成一对例外点，亮暗模都保持高Q；L到190nm，BIC又落到亮模短波侧。三种谱型（亮暗能差大于、等于、小于零）还能反推钠的实际填充高度。

图2：角分辨反射谱与例外点（a：亮暗模的电场分布；b：模式体积随钠高度变化；c：H=25/60/215nm三组角分辨谱，仿真与实验对照；d–e：共振波长随模具深度与钠高度的变化）

3.3  二次谐波：6倍于银

1030nm、y偏振飞秒泵浦，515nm出绿光，共测11块样品。SHG在临界耦合（γrad=γdis）时最强，因为模体积基本不变，增强主要来自损耗比的优化。功率依赖斜率1.95，接近二阶非线性的理论值2。与吸收效率相同的银超表面（Q=209）相比，钠的转换效率高6倍；比平板结构高72倍。10秒满功率（约700W/μm²）辐照下没看到损伤；功率提到239W/μm²，175秒后开始损伤，326W/μm²时缩到75秒。

图3：二次谐波对比（a：光路；b：钠与银的反射谱；c：仿真SHG效率；d：不同腔长的SHG谱；e：功率依赖，斜率1.95；f：600s稳定性；g：实测Q值237与209；h：钠、银与平板结构的SHG强度）

4.实验表征

角分辨反射谱用复享ARMS 显微角分辨光谱仪测量，以平面钠的反射做背景参考。SHG在复享多功能共焦显微光谱检测系统测量：1030nm飞秒激光经50×（NA0.8）物镜聚焦,采用制冷型面阵背照式光谱仪采集SHG信号。

图4：原文复享ARMS 显微角分辨光谱仪标注

5.复享光学设备推荐

ARMS 显微角分辨光谱仪支持微米级样品全自动角分辨多模式光谱测量。得益于优秀的色差、像差控制及分波段的光路设计，ARMS 可在显微尺度、400~1650nm 和 0.1° 角分辨率的能力下，同时获得角度 (k) 、频率 (ω)、光谱 (λ) 完整信息，为您在光子晶体、拓扑光子学、超构材料和光-物质强耦合等研究领域提供卓越的解决方案。

图5：复享ARMS 显微角分辨光谱仪

图6：复享光学多功能共焦显微光谱检测系统

基于 FT-ARS 技术:采用 FT-ARS 技术获得显微角分辨光谱，基于可溯源标准光栅衍射结果进行准确角度计量定标，可实现高达 0.1° 的角度分辨率；

微米量级样品信号采集 ：基于显微成像系统架构，同时配置空间选区光阑，支持检测区域的大小缩放、平移、旋转等五维调节；

Vis-Nir 宽谱段探测能力  ：针对不同波段的像差校正和分波段的双光路消像差设计，可实现 400~1650nm 超宽谱段的显微角分辨光谱检测；

多种角分辨光谱测量模式:通过入射条件和接收条件的组合，可支持包括透射、反射、辐射及散射等9种角分辨光谱测量模式；

毫秒级瞬态光谱采集能力:采用 FT-ARS 技术配合成像 CCD，对角分辨光谱进行拍摄式高光谱采集，采集时间可以压缩为毫秒级（~ms）；

6.总结

演示停留在单点器件和一块200×120μm²的图案，大面积均匀性与工艺重复性还没展开。论文自己也提到，钠不能裸露在空气中，器件的长期可靠性需要单独验证。

参考文献：

[1]Nanocast sodium metasurfaces for enhanced light-matter coupling

DOI：https://doi.org/10.1038/s41467-026-79100-9

作者：Yanzhong Wang, Chang-Yin Ji, Haozhe Sun等

通讯作者：李家方、王阳（北京理工大学），贾宝华（皇家墨尔本理工大学）