Polaritons—hybrid light–matter excitations—enable nanoscale control of light. Particularly large polariton field confinement and long lifetimes can be found in graphene and materials consisting of two-dimensional layers bound by weak van der Waals forces1,2 (vdW materials). These polaritons can be tuned by electric fields3,4 or by material thickness5, leading to applications including nanolasers6, tunable infrared and terahertz detectors7, and molecular sensors8. Polaritons with anisotropic propagation along the surface of vdW materials have been predicted, caused by in-plane anisotropic structural and electronic properties9. In such materials, elliptic and hyperbolic in-plane polariton dispersion can be expected (for example, plasmon polaritons in black phosphorus9), the latter leading to an enhanced density of optical states and ray-like directional propagation along the surface. However, observation of anisotropic polariton propagation in natural materials has so far remained elusive. Here we report anisotropic polariton propagation along the surface of α-MoO3, a natural vdW material. By infrared nano-imaging and nano-spectroscopy of semiconducting α-MoO3 flakes and disks, we visualize and verify phonon polaritons with elliptic and hyperbolic in-plane dispersion, and with wavelengths (up to 60 times smaller than the corresponding photon wavelengths) comparable to those of graphene plasmon polaritons and boron nitride phonon polaritons3–5. From signal oscillations in real-space images we measure polariton amplitude lifetimes of 8 picoseconds, which is more than ten times larger than that of graphene plasmon polaritons at room temperature10. They are also a factor of about four larger than the best values so far reported for phonon polaritons in isotopically engineered boron nitride11 and for graphene plasmon polaritons at low temperatures12. In-plane anisotropic and ultra-low-loss polaritons in vdW materials could enable directional and strong light–matter interactions, nanoscale directional energy transfer and integrated flat optics in applications ranging from bio-sensing to quantum nanophotonics. Observation of the anisotropic propagation of polaritons along the surface of layered, semiconducting α-MoO3 confirms the existence of this phenomenon in natural materials.

Optical imaging beyond the diffraction limit was one of the primary motivations for negative-index metamaterials, resulting in Pendry's perfect lens and the more attainable superlens. While these approaches offer sub-diffractional resolution, they do not provide a mechanism for magnification of the image. Hyperbolic (or indefinite-permittivity) metamaterials have been theoretically considered and experimentally demonstrated to provide simultaneously subdiffractive imaging and magnification; however, they are plagued with low efficiency and complex fabrication. In this work, we present theoretical and experimental studies of near-field optical imaging through a flat slab of the low-loss, natural hyperbolic material, hexagonal boron nitride (hBN). This thin hBN layer exhibits wavelength-dependent multifunctional operations, offering both an enhanced near-field imaging of single buried objects with down to lambda/32 resolution (0.4 um at lambda=12.8 um), as well as enabling an enlarged reconstruction of the geometric outline of the investigated objects. Both the excellent resolution and the multifunctional operation can be explained based on the volume-confined, wavelength-dependent propagation angle of Type I hyperbolic polaritons. Our results provide both the understanding of near-field imaging performance through this natural hyperbolic media, as well as inspire their exciting potential for guiding and sensing of light at an extreme sub-diffractional scale.

Patterning a hyperbolic metasurface Structured metasurfaces potentially enable the control of the propagation direction of excitations on the material's surface. However, the high losses associated with the materials used to date has led to relatively short lifetimes for the excitations. Li et al. patterned a subwavelength grating into a layer of hexagonal boron nitride (hBN) and found that the lifetime and propagation length of the excitations could be much longer. Direct imaging of the polariton excitations illustrates that hBN can be a viable platform for nanophotonic circuits. Science , this issue p. 892

Enhanced light-matter interactions are the basis of surface enhanced infrared absorption (SEIRA) spectroscopy, and conventionally rely on plasmonic materials and their capability to focus light to nanoscale spot sizes. Phonon polariton nanoresonators made of polar crystals could represent an interesting alternative, since they exhibit large quality factors, which go far beyond those of their plasmonic counterparts. The recent emergence of van der Waals crystals enables the fabrication of high-quality nanophotonic resonators based on phonon polaritons, as reported for the prototypical infrared-phononic material hexagonal boron nitride (h-BN). In this work we use, for the first time, phonon-polariton-resonant h-BN ribbons for SEIRA spectroscopy of small amounts of organic molecules in Fourier transform infrared spectroscopy. Strikingly, the interaction between phonon polaritons and molecular vibrations reaches experimentally the onset of the strong coupling regime, while numerical simulations predict that vibrational strong coupling can be fully achieved. Phonon polariton nanoresonators thus could become a viable platform for sensing, local control of chemical reactivity and infrared quantum cavity optics experiments.