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极化激元(polaritons)是由光和物质强耦合作用产生的一种“半光-半物质”准粒子,能够突破衍射极限将光场压缩聚焦到很小的尺度,实现奇异的微纳光学现象和重要应用。极化激元不仅是当今凝聚态物理、光物理、材料科学等多学科交叉的前沿科学领域,同时也是我国的传统优势研究方向之一。

早在1951年,我国著名的半导体物理学家黄昆先生就提出声子极化激元的经典理论,开辟了这一重要研究方向。随后,根据“准粒子”种类及性质的不同,多种极化激元(如,激子极化激元、等离极化激元等)相继被发现。

近年来,各向异性传播的极化激元被广泛研究,尤其是具有双曲色散的极化激元,因为它极强的电磁场压缩能力,各向异性的传播方式,较低的传播损耗等优异的性能,在传感,通讯,成像,能源等研究领域都取得重要研究进展。

目前,这些不同种类的双曲极化激元一般被归纳为两类传播模式:沿着材料界面传播的表面模式(surface polaritons)和在材料内部传播的体模式(volume polaritons)。二者的本质区别在于垂直材料界面方向,极化激元的波矢为纯虚数(表面模式)或纯实数(体模式)。

8月18日,《Nature》以Ghost hyperbolic surface polaritons in bulk anisotropic crystals为题刊发了极化激元光学方向的最新研究成果。

图源:Nature

在此工作中,由华中科技大学李培宁和张新亮教授领导的团队,同新加坡国立大学仇成伟教授、国家纳米科学中心戴庆研究员、纽约州立大学Andrea Alu教授共同合作,理论提出并实验证明了传统的双折射晶体中存在“幽灵”双曲极化激元电磁波,该原创性成果革新并拓展了极化激元基础物理的“教科书”定义,对凝聚态物理、光物理、电磁学等领域的基础研究有重要指导意义。

图2:方解石晶体中“幽灵”双曲极化激元各向异性传播的艺术示意图。

图源:牙古科技

研究团队的研究成果突破了极化激元模式分类的固有认识,证明了在各向异性的双折射晶体方解石中,存在第三种极化激元模式——“幽灵”双曲极化激元(Ghost hyperbolic polaritons)。

研究团队通过对麦克斯韦方程组严格求解,证明“幽灵”双曲极化激元沿着垂直界面方向的传播常数为复数(同时有实部也有虚部)。这种特殊的双曲极化激元在界面束缚,同时在晶体内以倾斜的波前传输,在垂直界面的方向电场呈现“振荡衰减”的传播特性。

这种垂直于界面“振荡衰减”的特殊电磁波,最早由普渡大学光学领域专家Narimanov教授预测可能在各向异性介质中存在,同时他将量子力学研究领域的概念延拓至光学领域(Adv.Photonics 1,1-11,2019),给这种电磁模式命名为“幽灵”波(Ghost waves)。“幽灵”电磁波被预测可以产生负折射、超分辨成像等多种奇特现象,但是这种特殊的电磁模式一直没有得到实验中的证明。

在此工作中,研究团队发现的“幽灵”极化激元则是一种光场压缩能力更强的亚波长电磁模式。他们发现教科书中的经典光学材料——具有双折射特性的方解石晶体中,就会存在这种特殊的“幽灵”极化激元。通过理论预测及计算(如图3所示),研究团队发现当方解石晶体的光轴和晶体表面存在特定范围内的夹角时,就可以支持“幽灵”双曲极化激元的传播。这种新型的极化激元具有面内双曲型色散关系,表现出平面内的强各向异性的传输特性。

图3:三种极化激元模式的特征电磁场模式分布的比较。(上)“幽灵”极化激元模式、(中)表面模式、(下)体模式。

图源:Nature

在理论研究的基础上,研究团队采用光轴和平面相对夹角23.3°的方解石晶体,通过实验探究了这种特殊的极化激元。金纳米天线在红外光照射下作为点光源,激发方解石中的极化激元(如图4所示),借助高空间分辨的散射式近场光学显微镜(s-SNOM),研究人员成像了局域光源激发下的“幽灵”双曲极化激元的传播。

图4:近场成像实验证明“幽灵”极化激元的各向异性传播特性。(左)实验示意图、(中)测量的“幽灵”极化激元高分辨近场图像、(右)波矢空间分布图

图源:Nature

实验得到的近场图像直接揭示了特征的双曲极化激元实空间模场分布。在光学天线的右边,可以观测到“幽灵”双曲极化激元以高度局域的射线形式传播,这种“渠道化的射线”在传输超过20微米后方才完全衰减,传播距离超过激发波长的三倍,远高于之前在二维材料研究中发现的双曲极化激元,这个结果反映了方解石中的“幽灵”双曲极化激元具有较低的传输损耗。同时,研究团队也展示了这种新型的双曲极化激元能够无衍射地传输亚波长信息,并且证明了通过改变双折射晶体内禀的属性——光轴的朝向,可以在固定频率下有效地调节极化激元的色散。

总结与展望

除了方解石晶体外,研究团队也预测了例如石英,氧化铝等众多常见的双折射晶体中,都有可能存在这种特殊的“幽灵”极化激元,为极化激元的研究提供了新的思路,同时该研究工作也有力地证明了储量丰富,可大规模制备的传统块体的极性晶体在微纳光学领域具有极大的应用潜力,在振动分子传感,亚波长信息传递,超分辨聚焦成像,纳米尺度辐射调控等诸多方面都有着重要的应用前景。

论文信息:

Ma,W.,Hu,G.,Hu,D.et al.Ghost hyperbolic surface polaritons in bulk anisotropic crystals.Nature 596,362–366(2021).

华中科技大学是本研究论文的第一通讯单位,第一作者包括华中科技大学博士生马玮良,博士后陈闰堃,新加坡国立大学博士后胡光维,国家纳米科学中心副研究员胡德波。华中科技大学李培宁教授、张新亮教授、新加坡国立大学仇成伟教授、国家纳米科学中心戴庆研究员、纽约州立大学Andrea Alù教授为论文共同通讯作者。本研究工作得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划的资助。该基础创新研究是华中科技大学李培宁教授团队在极化激元光学研究领域长期积累所取得的成果。目前,李培宁教授课题组已在极化激元光学方向上以第一作者或通讯作者发表系列高水平研究成果,包括Science 1篇,Nature 2篇,Nature Materials 1篇,Nature Communications 2篇。

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