8月18日，國際頂級期刊《自然》刊發(fā)了華中科技大學(xué)光學(xué)與電子信息學(xué)院/武漢國家光電研究中心李培寧教授和張新亮教授研究團(tuán)隊題為《Ghost hyperbolic surface polaritons in bulk anisotropic crystals》的研究論文。李培寧、張新亮教授團(tuán)隊同新加坡國立大學(xué)、國家納米科學(xué)中心、紐約州立大學(xué)等單位合作，突破性證明了傳統(tǒng)的雙折射晶體中存在“幽靈”雙曲極化激元電磁波，該成果革新了極化激元基礎(chǔ)物理的“教科書”定義，對凝聚態(tài)物理、光物理、電磁學(xué)等領(lǐng)域的基礎(chǔ)原創(chuàng)研究具有重要指導(dǎo)意義。

圖1，展示方解石晶體中“幽靈”雙曲極化激元各向異性傳播的藝術(shù)示意圖

         極化激元光學(xué)是當(dāng)今凝聚態(tài)物理、光物理、材料科學(xué)等多學(xué)科交叉的前沿科學(xué)領(lǐng)域，也是我國的傳統(tǒng)優(yōu)勢研究方向之一。極化激元（polaritons）是光和物質(zhì)強(qiáng)耦合作用產(chǎn)生的“半光-半物質(zhì)”準(zhǔn)粒子，能夠?qū)⒐鈭鰤嚎s聚焦到很小的尺度，從而突破衍射極限，實現(xiàn)奇異的微納光學(xué)現(xiàn)象和重要應(yīng)用。早在1951年，我國著名半導(dǎo)體物理學(xué)家黃昆先生就提出聲子極化激元的經(jīng)典理論，開辟了這一重要研究方向。隨后，根據(jù)材料種類的不同，不同性質(zhì)的極化激元（如，激子極化激元、等離極化激元等）相繼被發(fā)現(xiàn)。目前，這些不同種類的極化激元一般被歸納為兩類傳播模式：沿著材料界面?zhèn)鞑サ谋砻婺Ｊ剑╯urface polaritons）和在材料內(nèi)部傳播的體模式(volume polaritons)。二者的本質(zhì)區(qū)別在于垂直材料界面方向，極化激元的波矢為純虛數(shù)（表面模式）或純實數(shù)（體模式）。李培寧和張新亮團(tuán)隊的研究成果突破了極化激元模式分類的固有認(rèn)識，證明了在各向異性的方解石晶體中，存在第三種極化激元模式——“幽靈”雙曲極化激元（Ghost hyperbolic polaritons）。

圖2，三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）表面極化激元模式、（下）體極化激元模式。

          研究團(tuán)隊通過對麥克斯韋方程組嚴(yán)格求解，證明“幽靈”雙曲極化激元沿著垂直表面方向的傳播常數(shù)為復(fù)數(shù)（同時有實部也有虛部），表現(xiàn)為該方向上的電磁場傳播呈現(xiàn)振蕩衰減的特性。這種垂直界面“振蕩衰減”的特殊電磁模式最早由普渡大學(xué)Narimanov教授預(yù)測可在各向異性介質(zhì)中存在，他將量子力學(xué)研究領(lǐng)域的概念延拓至光學(xué)領(lǐng)域（Adv. Photonics1, 1-11, 2019），從而將這種模式命名為“幽靈”電磁波（Ghost waves）?！坝撵`”電磁波被預(yù)測可產(chǎn)生負(fù)折射、超分辨成像等多種奇特現(xiàn)象，但這種特殊電磁模式的存在一直沒有得到實驗證明。

          李培寧和張新亮團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)的“幽靈”極化激元是光場壓縮能力更強(qiáng)的一種特殊的亞波長“幽靈”電磁波。他們發(fā)現(xiàn)教科書中的經(jīng)典雙折射材料——方解石晶體就存在“幽靈”極化激元。通過理論預(yù)測及計算（如圖2所示），研究團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)當(dāng)方解石晶體的光軸和晶體界面存在一定的夾角時，就可存在“幽靈”雙曲極化激元。這種新型的極化激元具有面內(nèi)雙曲型色散關(guān)系，表現(xiàn)出強(qiáng)各向異性的傳輸特性。

          研究團(tuán)隊采用光軸和平面相對夾角23.3°的方解石晶體，通過紅外光照射的金納米天線作為局域光源，激發(fā)極化激元（如圖3所示）。借助散射式近場光學(xué)顯微鏡（s-SNOM）,實空間表征了局域光源激發(fā)下的“幽靈”雙曲極化激元的各向異性傳播特性。實驗得到的近場強(qiáng)度分布揭示了特征的雙曲極化激元模場分布，在天線的右邊觀測到了“幽靈”雙曲極化激元以高度局域的射線形式傳播，“渠道型射線”傳輸逾20微米距離后才完全衰減，其傳輸距離遠(yuǎn)高于二維材料中的極化激元，這也反映了方解石中的“幽靈”雙曲極化激元具有較低的損耗。

圖3，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

          此外，研究團(tuán)隊同時證明了能夠通過改變雙折射晶體內(nèi)稟的屬性——光軸的朝向來調(diào)節(jié)極化激元的色散。除了方解石晶體以外，研究團(tuán)隊也預(yù)測例如石英，氧化鋁等眾多常見的雙折射晶體中都可能存在這種性質(zhì)優(yōu)異的“幽靈”極化激元。此項研究工作也有力證明了儲量豐富、可大規(guī)模制備的極性晶體在微納光學(xué)領(lǐng)域具有極大的應(yīng)用潛力，在紅外光譜傳感、亞波長信息傳遞、超分辨聚焦成像、納米尺度輻射調(diào)控等諸多方面都有著重要的應(yīng)用前景。

          華中科技大學(xué)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(xué)光學(xué)與電子信息學(xué)院博士生馬瑋良、博士后陳閏堃、新加坡國立大學(xué)博士后胡光維、國家納米科學(xué)中心胡德波副研究員。華中科技大學(xué)李培寧教授、張新亮教授、新加坡國立大學(xué)仇成偉教授、國家納米科學(xué)中心戴慶研究員、紐約州立大學(xué)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(xué)基金、國家重點研發(fā)計劃的資助。此次研究突破是華中科技大學(xué)李培寧研究團(tuán)隊在極化激元光學(xué)研究領(lǐng)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(xué)方向上以第一作者和通訊作者發(fā)表高水平研究成果多項，包括Science 1篇，Nature 2篇，Nature Materials 1篇，Nature Communications 2篇。

文章題目：Ghost hyperbolic surface polaritons in bulk anisotropic crystals

作者：Weiliang Ma, Guangwei Hu, Debo Hu, Runkun Chen, Tian Sun, Xinliang Zhang, Qing Dai, Ying Zeng, Andrea Alù, Cheng-Wei Qiu, Peining Li

DOI:10.1038/s41586-021-03755-1

URL: https://www.nature.com/articles/s41586-021-03755-1

新聞鏈接：http://oei.hust.edu.cn/info/1091/6201.htm

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