《自然》刊发李培宁张新亮团队极化激元光学重要研究进展

新闻网讯 8月18日，《自然》（Nature）刊发了华中科技大学光电信息学院/武汉光电国家研究中心李培宁教授和张新亮教授研究团队题为“Ghost hyperbolic surface polaritons in bulk anisotropic crystals”的研究论文。图1：展示方解石晶体中“幽灵”双曲极化激元各向异性传播的艺术示意图

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

早在1951年，我国著名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，根据材料种类的不同，不同性质的极化激元（如，激子极化激元、等离极化激元等）相继被发现。目前，这些不同种类的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）。李培宁和张新亮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方解石晶体中，存在第三种极化激元模式——“幽灵”双曲极化激元（Ghost hyperbolic polaritons）。

图2：三种极化激元模式的特征电磁场模式分布的比较

“幽灵”极化激元模式（上）、表面极化激元模式（中）、体极化激元模式（下）

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表面方向的传播常数为复数（同时有实部也有虚部），表现为该方向上的电磁场传播呈现振荡衰减的特性。这种垂直界面“振荡衰减”的特殊电磁模式最早由普渡大学Narimanov教授预测可在各向异性介质中存在，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），从而将这种模式命名为“幽灵”电磁波（Ghost waves）。“幽灵”电磁波被预测可产生负折射、超分辨成像等多种奇特现象，但这种特殊电磁模式的存在一直没有得到实验证明。

李培宁和张新亮团队发现的“幽灵”极化激元是光场压缩能力更强的一种特殊的亚波长“幽灵”电磁波。他们发现教科书中的经典双折射材料——方解石晶体就存在“幽灵”极化激元。通过理论预测及计算（如图2所示），研究团队发现当方解石晶体的光轴和晶体界面存在一定的夹角时，就可存在“幽灵”双曲极化激元。这种新型的极化激元具有面内双曲型色散关系，表现出强各向异性的传输特性。

研究团队采用光轴和平面相对夹角23.3°的方解石晶体，通过红外光照射的金纳米天线作为局域光源，激发极化激元（如图3所示）。借助散射式近场光学显微镜（s-SNOM）,实空间表征了局域光源激发下的“幽灵”双曲极化激元的各向异性传播特性。实验得到的近场强度分布揭示了特征的双曲极化激元模场分布，在天线的右边观测到了“幽灵”双曲极化激元以高度局域的射线形式传播，“渠道型射线”传输逾20微米距离后才完全衰减，其传输距离远高于二维材料中的极化激元，这也反映了方解石中的“幽灵”双曲极化激元具有较低的损耗。图3：近场成像实验证明“幽灵”极化激元的各向异性传播特性

实验示意图（左）、测量的“幽灵”极化激元高分辨近场图像（中）、波矢空间分布图（右）

此外，研究团队同时证明了能够通过改变双折射晶体内禀的属性——光轴的朝向来调节极化激元的色散。除了方解石晶体以外，研究团队也预测例如石英，氧化铝等众多常见的双折射晶体中都可能存在这种性质优异的“幽灵”极化激元。此项研究工作也有力证明了储量丰富，可大规模制备的极性晶体在微纳光学领域具有极大的应用潜力，在红外光谱传感，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。