說明 | 本文由論文作者（課題組）投稿

自然成妙用，孰知其指的。

羅絡四季間，綿微無一隙。

——唐·李白《草創大還贈柳官迪》

極化激元（polaritons）是由光和物質強耦合作用產生的一種“半光-半物質”準粒子，能夠突破衍射極限將光場壓縮聚焦到很小的尺度，實現奇異的微納光學現象和重要應用。極化激元不僅是當今凝聚態物理、光物理、材料科學等多學科交叉的前沿科學領域，同時也是我國的傳統優勢研究方向之一。

早在1951年，我國著名的半導體物理學家黃昆先生就提出聲子極化激元的經典理論，開辟了這一重要研究方向。隨后，根據“準粒子”種類及性質的不同，多種極化激元（如，激子極化激元、等離極化激元等）相繼被發現。

近年來，各向異性傳播的極化激元被廣泛研究，尤其是具有雙曲色散的極化激元，因為它極強的電磁場壓縮能力，各向異性的傳播方式，較低的傳播損耗等優異的性能，在傳感，通訊，成像，能源等研究領域都取得重要研究進展。

目前，這些不同種類的雙曲極化激元一般被歸納為兩類傳播模式：沿著材料界面傳播的表面模式（surface polaritons）和在材料內部傳播的體模式(volume polaritons)。二者的本質區別在于垂直材料界面方向，極化激元的波矢為純虛數（表面模式）或純實數（體模式）。

8月18日，《Nature》以 Ghost hyperbolic surface polaritons in bulk anisotropic crystals 為題刊發了極化激元光學方向的最新研究成果。

圖源：Nature

在此工作中，由華中科技大學李培寧和張新亮教授領導的團隊，同新加坡國立大學仇成偉教授、國家納米科學中心戴慶研究員、紐約州立大學Andrea Alu教授共同合作，理論提出并實驗證明了傳統的雙折射晶體中存在“幽靈”雙曲極化激元電磁波，該原創性成果革新并拓展了極化激元基礎物理的“教科書”定義，對凝聚態物理、光物理、電磁學等領域的基礎研究有重要指導意義。

圖2：方解石晶體中“幽靈”雙曲極化激元各向異性傳播的藝術示意圖。（圖源：牙古科技）

研究團隊的研究成果突破了極化激元模式分類的固有認識，證明了在各向異性的雙折射晶體方解石中，存在第三種極化激元模式——“幽靈”雙曲極化激元（Ghost hyperbolic polaritons）。

研究團隊通過對麥克斯韋方程組嚴格求解，證明“幽靈”雙曲極化激元沿著垂直界面方向的傳播常數為復數（同時有實部也有虛部）。這種特殊的雙曲極化激元在界面束縛，同時在晶體內以傾斜的波前傳輸，在垂直界面的方向電場呈現“振蕩衰減”的傳播特性。

這種垂直于界面“振蕩衰減”的特殊電磁波，最早由普渡大學光學領域專家Narimanov教授預測可能在各向異性介質中存在，同時他將量子力學研究領域的概念延拓至光學領域（Adv. Photonics 1, 1-11, 2019），給這種電磁模式命名為“幽靈”波（Ghost waves）。“幽靈”電磁波被預測可以產生負折射、超分辨成像等多種奇特現象，但是這種特殊的電磁模式一直沒有得到實驗中的證明。

在此工作中，研究團隊發現的“幽靈”極化激元則是一種光場壓縮能力更強的亞波長電磁模式。他們發現教科書中的經典光學材料——具有雙折射特性的方解石晶體中，就會存在這種特殊的“幽靈”極化激元。通過理論預測及計算（如圖3所示），研究團隊發現當方解石晶體的光軸和晶體表面存在特定范圍內的夾角時，就可以支持“幽靈”雙曲極化激元的傳播。這種新型的極化激元具有面內雙曲型色散關系，表現出平面內的強各向異性的傳輸特性。

圖3：三種極化激元模式的特征電磁場模式分布的比較。（上）“幽靈”極化激元模式、（中）表面模式、（下）體模式。(圖源：Nature)

在理論研究的基礎上，研究團隊采用光軸和平面相對夾角23.3°的方解石晶體，通過實驗探究了這種特殊的極化激元。金納米天線在紅外光照射下作為點光源，激發方解石中的極化激元（如圖4所示），借助高空間分辨的散射式近場光學顯微鏡（s-SNOM）, 研究人員成像了局域光源激發下的“幽靈”雙曲極化激元的傳播。

圖4：近場成像實驗證明“幽靈”極化激元的各向異性傳播特性。（左）實驗示意圖、（中）測量的“幽靈”極化激元高分辨近場圖像、（右）波矢空間分布圖(圖源：Nature)

實驗得到的近場圖像直接揭示了特征的雙曲極化激元實空間模場分布。在光學天線的右邊，可以觀測到“幽靈”雙曲極化激元以高度局域的射線形式傳播，這種 “渠道化的射線”在傳輸超過20微米后方才完全衰減，傳播距離超過激發波長的三倍，遠高于之前在二維材料研究中發現的雙曲極化激元，這個結果反映了方解石中的“幽靈”雙曲極化激元具有較低的傳輸損耗。同時，研究團隊也展示了這種新型的雙曲極化激元能夠無衍射地傳輸亞波長信息，并且證明了通過改變雙折射晶體內稟的屬性——光軸的朝向，可以在固定頻率下有效地調節極化激元的色散。

總結與展望

除了方解石晶體外，研究團隊也預測了例如石英，氧化鋁等眾多常見的雙折射晶體中，都有可能存在這種特殊的“幽靈”極化激元，為極化激元的研究提供了新的思路，同時該研究工作也有力地證明了儲量豐富，可大規模制備的傳統塊體的極性晶體在微納光學領域具有極大的應用潛力，在振動分子傳感，亞波長信息傳遞，超分辨聚焦成像，納米尺度輻射調控等諸多方面都有著重要的應用前景。

論文信息:

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

華中科技大學是本研究論文的第一通訊單位，第一作者包括華中科技大學博士生馬瑋良，博士后陳閏堃，新加坡國立大學博士后胡光維，國家納米科學中心副研究員胡德波。華中科技大學李培寧教授、張新亮教授、新加坡國立大學仇成偉教授、國家納米科學中心戴慶研究員、紐約州立大學Andrea Alù教授為論文共同通訊作者。本研究工作得到了國家自然科學基金、國家重點研發計劃的資助。該基礎創新研究是華中科技大學李培寧教授團隊在極化激元光學研究領域長期積累所取得的成果。目前，李培寧教授課題組已在極化激元光學方向上以第一作者或通訊作者發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。

論文地址：

https://doi.org/10.1038/s41586-021-03755-1

論文傳送門在此，請進>>>

編輯 | 趙陽

歡迎課題組投稿——新聞稿

文章轉載/商務合作/課題組投稿，微信：447882024

帶您每天讀1篇文獻！加入>Light讀書會