《自然》刊发李培宁张新亮团队极化激元光学重要研究进展

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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。
       李培宁、张新亮教授团队同新加坡国立大学、国家纳米科学中心、纽约州立大学等单位合作，突破性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，该成果革新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原创研究具有重要指导意义。

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。
       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，国家纳米科学中心胡德波副研究员。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。
        此次研究突破是华中科技大学李培宁研究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和通讯作者发表高水平研究成果多项，包括Science 1篇，Nature 2篇，Nature Materials 1篇，Nature Communications 2篇。
        文章链接：https://www.nature.com/articles/s41586-021-03755-1


        文章来源：华中科技大学
        张新亮，男，博士，教授，博士生导师。1971年10月生于湖北省黄梅县，1992年在华中理工大学获学士学位，2001年6月在华中科技大学（华中理工大学）获物理电子学博士学位。先后入选武汉市青年晨光人才、教育部新世纪优秀人才、湖北省杰出青年基金、国家杰出青年基金、中组部万人计划创新领军人才、教育部长江学者特聘教授（2017）等计划，是美国光学学会Fellow。在学术兼职方面，现任中国光学学会常务理事、湖北省仪器仪表学会理事长、国务院光学工程学科评议组成员和教育部”光电信息科学与工程”专业分教指委副主任，担任《Frontiers of Optoelectronics》期刊共主编，《Photonics Research》和《Photonics Journal》副编辑。在公共事务方面，2012年6月至2019年1月曾任华中科技大学光学与电子信息学院院长，2016年3月至2019年1月曾任武汉光电国家研究中心副主任，现任华中科技大学副校长。在科学研究方面，长期从事光电子器件与集成方面的研究工作，先后主持国家863计划、973计划课题、国家杰出青年基金项目、基金委重大国际合作项目、基金委重点基金项目、基金委重大科学仪器研制项目、国家重点研发计划项目等，发表了国际主流期刊论文350篇以上，发表论文被Web of Science引用超过6000次，Google Scolar统计引用超过8000次，先后主持和参与获得省部级自然科学一等奖4项，授权发明专利16项。         
        李培宁，华中科技大学光电信息学院/武汉光电国家研究中心教授、博士生导师。博士毕业于德国亚琛工业大学，西班牙CIC Nanogune研究中心“欧盟玛丽居里学者”博士后。近年来高水平论文包括：Science 1篇、 Nature 3篇、 Nature Materials 1篇、Nature Photonics 1篇、Nature Communications 4篇、Light: Science & Applications 1篇、Advanced Materials 1篇、Nano Letters 4篇、ACS Nano 1篇。研究成果被Science、Nature、Nature Materials、ACS Nano、IEEE Spectrum、Laser Focus World等亮点评论推荐，研究成果入选“2018年中国光学十大进展”（基础研究类）。得到多项荣誉和奖励的肯定，如“2014年度国家优秀自费留学生奖学金”、“2015年度欧盟玛丽居里学者奖”等。主持和参与多项重要科研项目，目前作为负责人承担国家面上自然科学基金和装发部研究项目，曾主持欧盟“玛丽居里学者”研究课题，并作为主要研究人员参与“欧盟地平线Horizon 2020：石墨烯研究旗舰计划”、“德国科研振兴计划”等多项重要课题。
        戴庆，国家纳米科学中心研究员，博士生导师 。2003-2007年在英国帝国理工大学电子工程系获得学士、硕士学位，2011年在英国剑桥大学工程系获得博士学位，之后在英国剑桥大学光电子研究中心从事低维纳米材料的光电特性及器件的博士后研究工作。2012年当选剑桥大学Wolfson学院Junior Research Fellow，同年5月加入国家纳米科学中心。2014年获得中科院卢嘉锡青年人才奖。目前主要从事纳米尺度光电调控与器件研究，电控光-基于石墨烯等离激元的新型纳米光子器件的构筑与性能调制，光控电-光辅助碳纳米管场发射的物理机制与高性能X光源设计等方面的研究工作。已在Nature Communications，Advanced Materials，Small，Nanoscale，Nanotechnology和Applied Physics Letters等国际学术期刊上发表论文40余篇，申请发明专利20余项。