科研團隊在極化激元光學領域取得突破性進展

       近日，國際頂級期刊《自然》刊發(fā)了華中科技大學武漢國家光電研究中心/光學與電子信息學院李培寧教授和張新亮教授研究團隊題為《Ghost hyperbolic surface polaritons in bulk anisotropic crystals》的研究論文。李培寧、張新亮教授團隊同新加坡國立大學、國家納米科學中心、紐約州立大學等單位合作，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物理的“教科書”定義，對凝聚態(tài)物理、光物理、電磁學等領域的基礎原創(chuàng)研究具有重要指導意義。

       極化激元光學是當今凝聚態(tài)物理、光物理、材料科學等多學科交叉的前沿科學領域，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)強耦合作用產(chǎn)生的“半光-半物質(zhì)”準粒子，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)奇異的微納光學現(xiàn)象和重要應用。早在1951年，我國著名半導體物理學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╯urfacpolaritons）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）。 
“幽靈”電磁波被預測可產(chǎn)生負折射、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。李培寧和張新亮團隊發(fā)現(xiàn)的“幽靈”極化激元是光場壓縮能力更強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。通過理論預測及計算，研究團隊發(fā)現(xiàn)當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)雙曲型色散關系，表現(xiàn)出強各向異性的傳輸特性。 

展示方解石晶體中“幽靈”雙曲極化激元各向異性傳播的示意圖

      此外，研究團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，研究團隊也預測例如石英，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領域具有極大的應用潛力，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用前景。 

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